KORROSIONSVERHALTEN VON TELLERFEDERN

KORROSIONSVERHALTEN
VON TELLERFEDERN

2
INHALT
Einleitung 3
Tellerfedervarianten, Korrosionsmedien und -Prüfverfahren 4
Werkstoffe 4
Beschichtungen 5
Mechanisches Verzinken 5
Dacromet-Beschichtung 5
Geomet-Beschichtung 6
Delta Tone + Delta Seal-Beschichtung 6
Chemische Vernickelung 6
Korrosionsmedien 7
Korrosions-Prüfverfahren 8
Tauchversuche 8
Ergebnisse der Tauchversuche 9
VDA-Wechseltests 9
Ergebnisse der VDA-Wechseltests und Diskussion 10
Zusammenfassung der VDA-Wechseltests 13
Spannungsrisskorrosionsversuche 13
Durchführung der Spannungsrisskorrosionsversuche 13
Ergebnisse der Spannungsrisskorrosionsversuche und Diskussion 14
Korrosionsverhalten der 6 x 1–geschichteten Tellerfedersäule 14
Spannungsrisskorrosionsverhalten in Meerwasseratmosphäre 17
Spannungsrisskorrosionsverhalten der Tellerfedersäule in 40%iger MgCl 2-Lösung 19
Spannungsrisskorrosionsverhalten der Tellerfedersäule in 3%iger NaCl-Lösung 22
Spannungsrisskorrosionsverhalten der Tellerfedersäule in 0,1m Zitronensäure 23
Korrosionsverhalten der 4 x 2–geschichteten Tellerfedersäule 27
Zusammenfassung der Spannungsrisskorrosionsversuche 28
VDA-Wechseltests mit mechanischer Beanspruchung 29
Ergebnisse des VDA-Wechseltests mit mechanischer Beanspruchung und Diskussion 29
Zusammenfassung des VDA-Wechseltests mit mechanischer Beanspruchung 30
Schwingungsrisskorrosionsversuche 32
Zusammenfassung der Schwingungsrisskorrosionsversuche 37
Literaturverzeichnis 39
EINLEITUNG
In der Beratungspraxis zur Anwendung von Tellerfedern werden Umgebungsbedingungen
mit Korrosionsbeanspruchung regelmäßig angefragt und können in vielen Fällen
nur sehr spekulativ behandelt werden. Besonders wenn lange Haltbarkeitsgarantien
gefordert werden, ist es deshalb sinnvoll, eine Felderprobung voran zu stellen.
Bei der Festlegung einer Tellerfeder unter korrosiven Bedingungen ist das Belastungskollektiv
genau zu analysieren: Korrosionsmedium, Temperatur, statische oder dynamische
Belastung, Reibung und Verschleiß an Kontaktstellen und deren Veränderungen
über der Einsatzzeit. Bei der Materialauswahl spielen neben den idealen Werkstoffeigenschaften
häufig die real vorhandenen Eigenschaften des Ausgangsmaterials
eine große Rolle, die dann zum entscheidenden Auswahl-Kriterium werden. Hierdurch
können dann andere Werkstoffkonzepte z.B. in Form von Beschichtungen von nicht
korrosionsbeständigen Werkstoffen interessant werden. Beim Übergang auf solche alternative
Lösungen sind dann die Unterschiede im direkten Vergleich von Interesse.
Im vorliegenden Aufsatz werden Ergebnisse aus einem Forschungsvorhaben dargestellt,
das als AVIF-Vorhaben Nr. A 210 »Untersuchungen zum Korrosionsverhalten von
Tellerfedern und Tellerfedersäulen«, begleitet vom Federnverband, Unterausschuss Tellerfedern,
durch die Technische Universität Darmstadt, Inst. für Werkstoffkunde, durchgeführt
wurde. Es sollten systematische Ergebnisse über das Verhalten bzw. die Haltbarkeit
von Tellerfedern unter anwendungsbezogenen korrosiven Bedingungen ermittelt
werden.
3

Tab. 1: Untersuchte
Tellerfedervarianten.
4
TELLERFEDERVARIANTEN,
KORROSIONSMEDIEN UND
-PRÜFVERFAHREN
Nr. Werkstoff Abmessung Fertigung
01 1.4310 63 x 31 x 1,9 x 4,15 (C) Gestanzt (S) + gedreht (D)
WERKSTOFFE
51CrV4 (1.8159) ist ein ferritischer Stahl, der sich
zur Herstellung von federnden Teilen aller Art besonders
eignet und für den Einsatz sämtlicher
DIN-Federn zulässig ist. Durch die Legierungszusätze
wird erreicht, dass bei größeren Material -
dicken nach dem Vergüten eine gleichmäßige Gefügeausbildung
über den ganzen Querschnitt vorliegt.
Ferner wird durch die Legierungsbestandteile
das Relaxationsverhalten positiv beeinflusst.
X10CrNi18-8 (1.4310), und X7CrNiAl17-7
(1.4568) sind nach DIN EN 10 151 nicht rostende
Federstähle, die sich durch besondere Beständigkeit
gegenüber chemisch angreifenden Stoffen
auszeichnen. Ihr Federungsvermögen erhalten sie
durch eine Kaltverfestigung und/oder Wärmebehandlung.
X10CrNi18-8 (1.4310) erhält die
Festigkeit nur durch eine Kaltverfestigung und wird
deshalb in der Regel nur bis zu einer Dicke von 2
bis 2,5 mm eingesetzt. Je nach Verfestigungsgrad
beginnt ab etwa 100 °C ein deutlicher Abbau der
Kaltverfestigung. Diese Werkstoffe sollten deshalb
nicht bei höheren Temperaturen eingesetzt werden.
In Tab. 1 sind die untersuchten Tellerfeder-Varianten
aufgelistet. Neben gebräuchlichen rostfreien
Federstahlqualitäten in unterschiedlichen Herstellungsvarianten
wurde auch 51CrV4-Stahl mit verschiedenen
Beschichtungen untersucht.
02 1.4310 63 x 31 x 1,9 x 4,15 (C) Gestanzt (S) + gedreht (D) + kugelgestrahlt (K)
03 1.4310 80 x 41 x 3 x 5,3 (B) Gestanzt (S) + gedreht (D)
04 1.4568 63 x 31 x 1,8 x 4,15 (C) Gestanzt (S) + gedreht (D)
05 1.4568 63 x 31 x 1,8 x 4,15 (C) Gestanzt (S) + gedreht (D) + kugelgestrahlt (K)
06 1.4568 63 x 31 x 1,8 x 4,15 (C) Gestanzt (S) + gedreht (D) + kolsterisiert
07 1.8159 63 x 31 x 1,8 x 4,15 (C) Mechanisch verzinkt + gelb chromatiert + versiegelt
08 1.8159 63 x 31 x 1,8 x 4,15 (C) Mechanisch verzinkt + transp. chromatiert + versiegelt
09 1.8159 63 x 31 x 1,8 x 4,15 (C) Dacromet 500 beschichtet
10 1.8159 63 x 31 x 1,8 x 4,15 (C) Geomet beschichtet
11 1.8159 63 x 31 x 1,8 x 4,15 (C) Delta Tone (2 mal) + Delta Seal (2 mal)-beschichtet
12 1.8159 63 x 31 x 1,8 x 4,15 (C) Chemisch vernickelt
13 1.8159 63 x 31 x 1,8 x 4,15 (C) Lackiert mit wasserverdünnbarem Lack
14 1.8159 63 x 31 x 1,8 x 4,15 (C) Geölt
Beim Werkstoff X7CrNiAl17-7 (1.4568) bis Dicke
2,5 mm (bei größeren Mengen bis 3,0 mm) wird
neben der Kaltverfestigung noch eine einfache
Aushärtung (Warmauslagerung bei 480 °C) durchgeführt,
die eine Warmfestigkeit bis 350 °C ermöglicht.
Die durch die Warmauslagerung erreichte
Festigkeitssteigerung hat den Vorteil, dass bei
gleicher Endfestigkeit eine geringere Kaltverfestigung
wie bei X10CrNi18-8 (1.4310) benötigt wird.
Hierdurch wird das Korrosionsverhalten positiv
beeinflusst. Dieser Werkstoffzustand wurde in der
vorliegenden Untersuchung verwendet.
Der Werkstoff X7CrNiAl17-7 (1.4568) wird in
Dicken > 2,5 mm (3 mm) im weichen lösungsgeglühten
Zustand verarbeitet. Die erforderliche Festigkeit
wird dann durch eine zweifache Warmauslagerung
(Strukturvergütung) erreicht. Da die erste
Auslagerung bei einer Temperatur von 760 °C
erfolgen muss, kommt es hierbei zu Chromkarbidausscheidungen
bevorzugt an den Korngrenzen.
Die Korrosionsbeständigkeit dieses Werkstoffzustandes
wird dadurch erheblich vermindert.
Federn im strukturvergüteten Zustand sollten nur
bei Anforderungen an die Warmfestigkeit eingesetzt
werden.
BESCHICHTUNGEN
Beschichtung Schichtdicke
Mechanisch verzinkt + gelb chromatiert + versiegelt Q 8 µm
Mechanisch verzinkt + transp. chromatiert + versiegelt Q 8 µm
Dacromet 500 beschichtet Q 5 µm
Geomet beschichtet Q 8 µm
Delta Tone (2 mal) + Delta Seal (2 mal)-beschichtet Q 14+4 µm
Chemisch vernickelt Q 25 µm
Lackiert mit wasserverdünnbarem Lack Q 15 µm
MECHANISCHES VERZINKEN
Das für Tellerfedern am häufigsten eingesetzte Verzinkungsverfahren
ist das Kugel-Plattieren. Bei diesem
Verzinken werden die Teile nach sorgfältigem
Reinigen im Tauchverfahren (stromlos) mit einer
dünnen Kupferschicht versehen, anschließend werden
die Teile zusammen mit Zinkpulver und Glaskugeln
verschiedener Größe in einer Trommel unter
Zugabe eines Promotors einer bewegenden Behandlung
unterzogen. Nach einer bestimmten Zeit
wird die Behandlung abgebrochen, wobei 95 –
98 % des zugegebenen Zinks auf den Tellerfedern
plattiert ist. Zum Schluss werden die Teile in einer
Chromatlösung chromatiert. Die Wirksamkeit von
water (vapour)
lamellar round, angular
Die Beschichtungen für die Tellerfedervarianten
aus 1.8159 sind in nachfolgender Tabelle aufgelistet.
Die ausgewählten Typen sind praxisrelevant
und haben aufgrund der Erfahrung bewährte Eigenschaften.
Die Beschichtungen wurden ohne
Phosphatierung appliziert.
Chromatschichten wird bei Temperaturen über
60 °C wieder abgebaut. Bei fachgerechter Anwendung
des Verfahrens tritt eine geringe, vernachlässigbare
Wasserstoffversprödung der Werkstücke
auf.
DACROMET-BESCHICHTUNG
Bei Dacromet handelt es sich um eine anorganische,
metallisch-silbergraue Beschichtung aus
Zink- und Aluminium-Lamellen in einer Chromatverbindung
(CrVI-haltig!). Der lamellare Aufbau
kann den Korrosionsfortschritt senkrecht zur Oberfläche
durch eine horizontale Ablenkung verringern
(Abb. 1).
pigment- and
filler particles
vehicle (binder)
metal surface
Tab. 2:
Beschichtungen für
die Tellerfedern aus
1.8159 und Schichtdicken.
Abb. 1:
Schema der Diffusion
von Wasser in
pigmentierten
Lacken [1].
5

6
Die Bauteile werden als Gestell- oder Trommelware
behandelt und die Schicht anschließend bei Temperaturen
< 280 °C eingebrannt. Dacromet beschichtete
Federn weisen eine sehr gute Beständigkeit
im Salzsprühnebeltest auf. Bei der üblichen
Verfahrensführung, d.h. ohne eine Beizvorbehandlung,
ist eine Wasserstoffversprödung völlig ausgeschlossen.
Die Federn werden in metallisch reinem Zustand
in eine wässrige Dispersion aus Zinkflocken,
Chromsäure und verschiedenen organischen Bestandteilen
getaucht. Die Schicht wird bei hohen
Temperaturen eingebrannt. Dieser Vorgang kann
mehrfach wiederholt werden, wobei Schichtdicken
von ca. 6, 8 bzw. 12 µm bei ein-, zwei- bzw. dreimaligem
Auftragen erzielt werden. Nach zweimaligem
Auftragen beträgt die Korrosionsbeständigkeit
im Salzsprühtest nach DIN 50 021 SS mehr als
240 h.
GEOMET-BESCHICHTUNG
Als Alternative zur Chrom-VI-haltigen Dacromet-
Produktreihe wurde die Geomet-Beschichtung entwickelt.
Zielsetzung war es, die gleichen Korrosionsschutz-Eigenschaften
wie bei der chrom(VI)haltigen
Dacromet-Beschichtung darzustellen. Analog
zur Dacromet- und Delta-Tone-Beschichtung
handelt es sich um einen nicht elektrolytisch aufgebrachten
Überzug, bestehend aus Zink- und
Aluminium-Lamellen und einer mineralischen
Versiegelung, die zusätzlich mit einer organischen
Beschichtung versehen werden kann. Die Gefahr
der Wasserstoffversprödung besteht nicht.
DELTA TONE +
DELTA SEAL-BESCHICHTUNG
Ähnlich der Dacromet-Beschichtung handelt es
sich hierbei um ein anorganisches metallpigmentiertes
Beschichtungsmaterial, das aufgrund des
möglichen kathodischen Schutzes von Stahl als
Alternative zum galvanischen oder mechanischen
Verzinken entwickelt wurde. Nach dem Einbrennen
der wie Farbe zu applizierenden lösemittelhaltigen
Beschichtung (bei 200 °C über 15 min werden
die metallischen Partikel mit einem anorganischen
Bindemittel vernetzt), werden silbrig-metallische
Überzüge erzeugt.
Für eine Vielzahl von Anwendungen realisiert Delta
Tone mit/ohne organische Versiegelung einen
außerordentlich guten Korrosionsschutz. Die Gefahr
einer Wasserstoffversprödung besteht nicht.
■ Beständigkeit im Salzsprühtest
nach DIN 50 021: 1.000 h
■ Beständigkeit im Kesternich-Test
nach DIN 50 018: 15 Runden
■ Beständigkeit im Schwitzwassertest
nach DIN 50 017: 1.000 h
Der Zn- und Al-haltige sogenannte »Basecoat«
Delta-Tone kann in Schichtdicken zwischen 5 und
12 µm wie Farbe appliziert werden. Im ausgehärteten
Zustand sind keine organischen Bestandteile
in der Beschichtung mehr vorhanden, welche die
metallischen Pigmente isolieren könnten.
Der organische »Topcoat« Delta-Seal wirkt isolierend
und schützend vor Kontaktkorrosion, ist in
Säuren und Laugen beständig. Durch Zugaben von
Festschmierstoffen kann eine Herabsetzung des
Reibungswiderstandes erreicht werden.
CHEMISCHE VERNICKELUNG
Nickelschichten werden in der Regel für genau
definierte Einsatzfälle als Korrosionsschutz, Verschleißschutz
oder aus optischen Gründen eingesetzt.
Für Tellerfedern kommt dabei die chemische
Vernickelung zum Einsatz. Bei diesem Verfahren
entstehen als Schichtwerkstoffe Nickel-Phosphor-
Legierungen. Über die Höhe des Phosphorgehaltes
wird das Verhalten der Beschichtung beeinflusst.
Mit 10 – 13 % Phosphor wird die beste Korrosionsbeständigkeit
und beste Duktilität erreicht.
Mit abnehmendem Phosphorgehalt wird die Verschleißfestigkeit
erhöht und die Korrosionsbeständigkeit
verringert. Da während des Abscheidungsprozesses
als Nebenreaktion Wasserstoff entsteht,
kann eine Wasserstoffversprödung nicht ganz ausgeschlossen
werden.
Einen Überblick der üblichen Beschichtungsverfahren
sowie deren Beständigkeit im Salzsprühnebeltest
nach DIN 50 021 gibt nachfolgende Tabelle:
Verfahren Schichtaufbau Schichtdicke
[µm]
Beständigkeit im Salzsprühnebeltest nach DIN 50 021
[h] 200 400 600 800 1000
Brünieren Metalloxide + Öl 0,5 – 1,5
Phosphatieren Zinkphosphat + Öl 10 – 15
Standardschutz
Phosphatieren Zinkphosphat + Wachs ca. 10 – ca. 40
Galvanisch Verzinken Zink Q 8
Galvanisch Verzinken Zink Q 12
Galv. Verzinken + Gelbchromat. Zink + Chrom Q 8
Galv. Verzinken + Gelbchromat. Zink + Chrom Q 12
Mech. Verzinken Zink Q 12
Mech. Verzinken + Gelbchromat. Zink + Chrom Q 12
Delta-Seal Zinkph. + org. Schicht + Öl 10 –15
Delta-Tone Zinkph. + Zinkstaubbesch. 10 –15
Chemisch vernickelt Nickel ca. 25
Dacromet 500-A Chromat. Zinklamellen Q 5
Dacromet 500-B Chromat. Zinklamellen Q 8
KORROSIONSMEDIEN
Für die Untersuchung wurden die in Tab. 4 dargestellten
Umgebungsmedien verwendet. Es wurden
sechs Medien mit unterschiedlichem Charakter
ausgewählt, um einige praxisnahe Bedingungen
mit häufigem Vorkommen in den Versuchen abzubilden.
Gesättigte künstliche Meerwasseratmosphäre
simuliert die Umgebungsbedingung in Meeresumgebung.
Tellerfedern dienen oft zur Vorspannung
von Brücken oder Schleusentoren, die sich in der
Nähe vom Meer befinden. Für die Untersuchungen
wurde daher künstliches Meerwasser nach DIN
50905 verwendet, das einen Standardsalzgehalt
von 3,5% und einen pH-Wert im Bereich von 7,8
bis 8,2 besitzt.
Die 3%ige NaCl-Lösung stellt z.B. eine Arbeitsbedingung
im Fahrzeugbau dar. Dort kommen die
Tellerfedern durch den Einsatz des Streusalzes
im Winter in Berührung mit der chloridhaltigen
Lösung. Um zusätzlich den Einfluss der Chloridkonzentration
auf das Korrosionsverhalten der
Tellerfedern zu untersuchen, wurde die 40%ige
MgCl 2-Lösung auch in das Versuchsprogramm aufgenommen,
da das MgCl 2-Salz bei Raumtemperatur
leichter lösbar ist.
Medien ph-Wert Leitfähigkeit [ms/cm]
Gesättigte Meerwasseratmosphäre 7,80 52,70
40%ige MgCl 2-Lösung (Magnesiumchlorid) 5,02 140,60
3%ige NaCl-Lösung (Natriumchlorid) 5,29 42,40
0,1n NaOH (Natronlauge) 12,90 19,77
0,1m Zitronensäure (C 6H 8O 7 2,09 2,90
Deionat 7,40 0,002
Tab. 3:
Relative Einschätzung
des mit den jeweiligen
Verfahren erreichbaren
Korrosionsschutzes
und seine Beständigkeit
im Salzsprühnebeltest
[2].
Tab. 4:
Umgebungsmedien für
die Untersuchungen.
7

Tab. 5: Zusammenfassung
der Ergebnisse
der Tauchversuche.
✩ – gut
★ – mittel
✪ – schlecht
● – sehr schlecht
8
Weitere Anwendungen von Tellerfedern findet man
auch in der Nahrungsmittelindustrie. Bei Maschinen
und Anlagen der Nahrungsmittelindustrie entsteht
die Korrosionsbeanspruchung nicht nur aus
der möglichen Aggressivität der verarbeiteten Stoffe,
sondern vielfach auch durch die intensive Reinigung
der Geräte mit sauren oder alkalischen Lösungen.
Die 0,1-normale NaOH und 0,1-molare
Zitronensäure sind stellvertretend für alkalische
und saure Medien zu betrachten.
Deionat ist entsalztes Wasser mit niedriger Leitfähigkeit
und wurde als neutrales Referenzmedium
eingesetzt.
KORROSIONS-PRÜFVERFAHREN
In dem Forschungsvorhaben wurden folgende Untersuchungsverfahren
angewendet und daraus einige
Ergebnisse hier dargestellt:
■ Tauchversuche ohne Belastung
■ VDA-Wechselteste
■ Elektrochemische Versuche *
■ Spannungsrisskorrosionsversuche
mit Konstantlast
■ Dehnungsinduzierte
Spannungsrisskorrosionsversuche
■ Schwingungsrisskorrosionsversuche
■ VDA-Wechseltests mit mechanischer
Beanspruchung
■ Begleitende Untersuchungen (metallographische
Untersuchung, rasterelektronenmikroskopische
Untersuchung, Eigenspannungsmessung)*
(Die mit * gekennzeichneten Untersuchungen sind
in diesem Bericht nicht aufgeführt.)
Da die Tauchversuche keine genormten Versuche
sind, wurde zusätzlich der standardisierte VDA-
Wechseltest [3] in das Versuchsprogramm aufgenommen.
TAUCHVERSUCHE
Die Tauchversuche zeigen das Korrosionsverhalten
der Tellerfedervarianten unter einfacher korrosiver
Beanspruchung auf. Dabei werden die Korrosionserscheinungen
auf der Tellerfeder im Verlauf der
Versuchszeit (4 Wochen) beobachtet und ein erster
qualitativer Eindruck über die Korrosionsbeständigkeit
der Tellerfedern in den verschiedenen
Medien gewonnen.
Die Versuche wurden bei Raumtemperatur und
ohne Luftzufuhr mit dem Medium durchgeführt.
Die Prüflinge wurden zur Hälfte in das jeweilige
Medium gehängt und sind mechanisch und elektrisch
unbelastet. Es wurden nur die Korrosions -
erscheinungen betrachtet, da die Tellerfedern in
der Praxis meistens durch Spannungsrisskorrosion
Tellerfedervarianten 40 % MgCl 2 3 % NaCl 0,1 n NaOH 0,1 m Säure
1.4310/C/S + D ★ ✩ ✩ ✩
1.4310/C/S + D + K ★ ✩ ✩ ✩
1.4310/B/S + D ★ ✩ ✩ ✩
1.4568/C/S + D ★ ✩ ✩ ✩
1.4568/C/S + D + K ✪ ★ ✩ ✩
1.4568/C/S + D + kolsterisiert ● ✪ ✩ ✩
Mechanisch verzinkt + gelb chromatiert ✩ ✪ ✩ ●
Mechanisch verzinkt + transp. chromatiert ✩ ★ ✩ ●
Dacromet beschichtet ✩ ✩ ✩ ●
Geomet beschichtet ✩ ✩ ✩ ●
Delta Tone + Delta Seal ✩ ★ ✩ ✪
Chemisch vernickelt ✪ ✪ ✩ ✪
Lackiert mit wasserverdünnbarem Lack ✩ ✩ ★ ✪
Geölt ● ● ✩ ●
Abb. 2: Versuchsanordnung Tauchversuche.
oder Schwingungsrisskorrosion zu Bruch gehen
und die lokale Korrosion wichtiger ist. Deshalb
wurde auf die Auswertung des Gewichtsverlustes
verzichtet.
ERGEBNISSE DER TAUCHVERSUCHE
Für eine übersichtliche Darstellung sind die Ergebnisse
nach folgendem Schema bewertet worden
und in Tab. 5 aufgeführt:
Gut: keine Korrosionserscheinung
erkennbar
Mittel: geringe Korrosionserscheinung
(punktförmig)
Schlecht: von dünner Korrosionsproduktschicht
bedeckt (fleckenförmig).
Sehr schlecht: von dicker Korrosionsproduktschicht
bedeckt (flächig)
Da im Tauchversuch die Tellerfedern nur korrosiv
(ohne mechanische oder elektrische Beanspruchung)
angegriffen werden, bilden die Ergebnisse
der Tauchversuche eine Basis für die Einschätzung
des Korrosionsverhaltens der Tellerfedern unter
Komplexbeanspruchung.
In 40%iger MgCl 2 -Lösung korrodieren die rostfreien
Stähle 1.4310 und 1.4568. Das Kugelstrahlen
verbessert das Verhalten im Fall 1.4310 etwas, im
Fall 1.4568 tritt eine Verschlechterung auf. Das
Kolsterisieren bedeutet nochmals eine Verschlechterung
für 1.4568.
Die beschichteten Tellerfedern haben eine bessere
Korrosionsbeständigkeit in 40%iger MgCl 2 -Lösung
als die Federn aus nicht rostenden Stählen, mit
Ausnahme der chemisch vernickelten Variante. Die
chemisch vernickelte Variante leidet an den Fehlstellen
in der Schicht in Form von Poren. Die nur
geölten Stahlfedern weisen einen nur kurzzeitigen
Korrosionsschutz auf und schneiden am schlechtesten
ab.
In 3%iger NaCl-Lösung verhalten sich die Federn
aus nicht rostendem Stahl besser als in 40%iger
MgCl 2 -Lösung, die beschichteten Federn teilweise
schlechter. Die mit Zn beschichteten Federn verhalten
sich in der hoch Cl-haltigen Lösung besser
aufgrund der Bildung einer Simonkolleit-Schicht
(Zn 5 (OH)8Cl 2 H 2 O).
In 0,1n NaOH korrodiert keine der untersuchten
Tellerfedervarianten, da sich eine dichte Schutzschicht
bildet. Der wasserverdünnbare Lack wird in
0,1n NaOH aufgelöst.
Für einen Tellerfeder-Einsatz in Säuren sollten
nichtrostende Stähle verwendet werden, die hier
eine gute Beständigkeit zeigten. Die Zn-Beschichtungen
reagieren mit der Säure und lösen sich unterschiedlich
schnell auf. Die chemische Vernickelung
zeigt auch hier wieder aufgrund der Poren in
der Schicht eine schlechte Wirkung.
VDA-WECHSELTESTS
Der VDA-Wechseltest ist ein anerkanntes und insbesondere
in der Automobilindustrie häufig angewandtes
Korrosionsuntersuchungsverfahren. Da
die Tauchversuche keine genormten Versuche sind,
wurde zusätzlich der standardisierte VDA-Wechseltest
[3] in das Versuchsprogramm aufgenommen.
Ein Zyklus des VDA-Wechseltests gemäß VDA-Prüfblatt
612-415 besteht aus [4]
■ 24 h Salzsprühnebeltest nach DIN 50021
bei 35 °C
■ 96 h Kondenswassertest nach DIN 50017 KFW
bei 40 °C
■ 48 h Normklima nach DIN 50014
In der Salzsprühkammer wurden die einzelnen Tellerfedern
einfach an Stäben aufgehängt. Die Testzeit
betrug 4 VDA-Zyklen (vier Wochen). Das wichtige
Bewertungskriterium ist hier die Stärke der
Korrosionserscheinung.
9

Abb. 3:
Korrosionserscheinung
auf den Tellerfedern
nach 4 Zyklen
VDA-Test.
10
ERGEBNISSE DES
VDA-WECHSELTESTS
UND DISKUSSION
In Abb. 3 sind alle 14 getesteten Tellerfedervarianten
nach 4 VDA-Wechseltest-Zyklen gezeigt. Die
kugelgestrahlte Tellerfeder aus 1.4310 lässt keine
Korrosion erkennen, auf den anderen beiden Varianten
befindet sich eine geringe Anzahl bräunlicher
Flecken, ähnlich auch auf der nicht kugel -
gestrahlten Tellerfedervariante aus 1.4568. Die
kugelgestrahlte Variante aus 1.4568 verhält sich
etwas schlechter, aber der Unterschied ist sehr
gering. Deshalb wurden diese fünf Varianten nach
der vierwöchigen regulären Versuchszeit noch weitere
9 Wochen in der Salzsprühkammer belassen.
Die kolsterisierte Variante aus 1.4568 weist die
schlechteste Korrosionsbeständigkeit unter den
Tellerfedervarianten aus den nicht rostenden Stählen
auf. Die Feder ist mit einer großen Anzahl tief
rostbrauner Flecken fast vollständig bedeckt.
1.4310 / C / S + D 1.4310 / C / S + D + K
1.4310 / B / S + D 1.4568 / C / S + D
1.4568 / C / S + D + K 1.4568 / C / S + D + kolsterisiert
Mechan. verzinkt + gelb chrom. Mechan. verzinkt + transp. chrom.
Dacromet beschichtet Geomet beschichtet
Delta Tone + Delta Seal Chemisch vernickelt
Wasserverd. lackiert Geölt
Abb. 3:
(Fortsetzung)
11

Abb. 4:
Korrosionserscheinung
auf den Tellerfedern
nach 13 Zyklen
VDA-Wechseltest.
Tab. 6:
Vergleich der Ergebnisse
aus den Tauchversuchen
und den
VDA-Wechseltests [6].
✩ – gut
★ – mittel
✪ – schlecht
● – sehr schlecht
+2: 2 Stufen besser
–2: 2 Stufen
schlechter usw.
12
1.4310 / C / S + D 1.4310 / C / S + D + K
1.4568 / C / S + D 1.4568 / C / S + D + K
Tellerfedervarianten VDA 3 % NaCl 40 % MgCl 2
Wechseltest
1.4310/C/S + D ✩ 0 +1
1.4310/C/S + D + K ✩ 0 +1
1.4310/B/S + D ✩ 0 +1
1.4568/C/S + D ★ -1 0
1.4568/C/S + D + K ✪ -1 0
1.4568/C/S + D + kolsterisiert ● -1 0
Mechanisch verzinkt + gelb chromatiert ● -1 -3
Mechanisch verzinkt + transp. chromatiert ✪ -1 -2
Dacromet beschichtet ✩ 0 0
Geomet beschichtet ✩ 0 0
Delta Tone + Delta Seal ★ 0 -1
Chemisch vernickelt ✪ 0 0
Lackiert mit wasserverdünnbarem Lack ✪ -2 -2
Geölt ● 0 0
Die Dacromet und Geomet beschichteten Tellerfedern
aus Stahl korrodieren wie die kugelgestrahlte
Tellerfeder aus 1.4310 nicht. Die Delta Tone +
Delta Seal beschichtete Tellerfeder wurde vom Korrosionsmedium
angegriffen, dabei bildete sich
eine große Anzahl weißer Flecken, d.h. der Grundwerkstoff
1.8159 korrodiert nicht. Noch schlechter
verhalten sich die mechanisch verzinkten Tellerfedervarianten.
Die gelb chromatierten wurden von
einer großen Anzahl tief rostbrauner Flecken, die
transparent chromatierten von einer kleinen Anzahl
rostbrauner Flecken und einer großen Anzahl weißer
Flecken bedeckt. Das Problem der Fehlstellen
in der Beschichtung an den Kanten erscheint bei
der chemisch vernickelten und der Feder mit wasserverdünnbaren
Lack. Dort zeigt eine mittlere
Anzahl rostbrauner Flecken eine Korrosion des
Grundwerkstoffes an. Die nur geölte Tellerfedervariante
verhält sich am schlechtesten und weist eine
starke flächige Korrosion auf.
In der Tab. 6 werden die Ergebnisse der VDA-Wechseltests
und der Tauchversuche in 40%iger MgCl 2-
Lösung und in 3%iger NaCl-Lösung miteinander
verglichen. Die drei Versuche sind sich ähnlich
durch die chloridhaltige Lösung und die Anwesenheit
von Sauerstoff. Der Unterschied ist die Konzentration
und die Versuchstemperatur. Die hohe
Konzentration der Chloride kann die Korrosion fördern,
wie z.B. bei den Tellerfedervarianten aus den
nicht rostenden Stählen durch die Zerstörung der
in der Luft gebildeten Schutzschicht, oder die
Korrosion hemmen, wie z.B. bei den mit Zink beschichteten
Tellerfedervarianten durch die Bildung
der Simonkolleit-Schicht.
Eine hohe Sauerstoff-Konzentration hat die gleiche
Wirkung: bei den aus nicht rostenden Stählen gefertigten
Tellerfedervarianten verhindert sie durch
die Bildung der Oxidschicht eine fortschreitende
Korrosion, und zugleich beschleunigt sie die Korrosionsgeschwindigkeit
durch Beteiligung an der Reaktion
[5]. Deshalb empfiehlt es sich, jede Kombination
Metall/Medium/Beanspruchung als ein
eigenes System zu betrachten und separat zu behandeln.
Während des VDA-Wechseltestes bekommen
die aufgehängten Tellerfedern wesentlich
mehr Sauerstoff ab als während des Tauchversuches,
dabei aber weniger Chlorid, da sie nach
VDA-Prüfblatt 612-415 pro Zyklus (7 Tage) nur 24
Stunden einen direkten Kontakt mit dem Salzsprühnebel
haben.
In Abb. 4 sind die Fotos von Tellerfedern aus rost-
freiem Stahl nach 13 Zyklen VDA-Wechseltest dargestellt.
Die Tellerfeder aus 1.4568 gedreht und
besonders kugelgestrahlt ist etwas schlechter als
die Varianten aus 1.4310.
ZUSAMMENFASSUNG
DER VDA-WECHSELTESTS
Trotz des großen Sauerstoffangebotes zeigen hier
die Tellerfedern aus 1.4310 und die Dacromet
sowie die Geomet beschichteten Tellerfedern eine
sehr gute Korrosionsbeständigkeit. Die Tellerfedern
aus 1.4568 sind etwas schlechter als die aus
1.4310. Die kolsterisierten, die mechanisch verzinkten
und die nur geölten Tellerfedern verhalten
sich deutlich schlechter beim VDA-Wechseltest.
SPANNUNGSRISS-
KORROSIONSVERSUCHE
Bei den Spannungsrisskorrosionsversuchen werden
die Korrosionseinwirkungen in Verbindung mit
einer statischen mechanischen Belastung untersucht.
Die Tellerfedern werden zunächst als Tellerfedersäulen
6 x 1 oder 4 x 2 verspannt und anschließend
in das Korrosionsmedium eingetaucht.
Neu konzipierte Prüfeinrichtungen für die Verspannung
stellen sicher, dass die Tellerfedern keiner
Kontaktkorrosion unterliegen. Wie die Tauchversuche,
sind die Spannungsrisskorrosionsversuche
nicht standardisiert, deshalb wird zusätzlich der
VDA-Wechseltest mit mechanischer Beanspruchung
durchgeführt. Außerdem werden dehnungsinduzierte
Spannungsrisskorrosionsversuche vorgenommen.
Bei diesen Versuchen wird die Versuchstemperatur
der verspannten Tellerfedersäule langsam
von 40 °C auf 80 °C und zurück verändert,
um das durch die Temperaturschwankung hervorgerufene
Verhalten zu prüfen
DURCHFÜHRUNG DER SPANNUNGS-
RISSKORROSIONSVERSUCHE
Die Vorbereitung der Spannungsrisskorrosionsversuche
läuft nach den folgenden Arbeitsschritten
ab (Abb. 5): Reinigen, Verspannen als 6 x 1 oder
4 x 2 – Säule auf einer speziellen Vorrichtung auf
0,2h 0, 0,4h 0, 0,6h 0 oder 0,8h 0, verbringen der
13

Abb. 5:
Arbeitsschritte für
die Spannungsrisskorrosionsversuche.
14
Säule in ein abgedichtetes Glasgefäß (Abb. 6) mit
dem Korrosionsmedium und Auslagern in einem
Wärmeschrank bei 40 oder 80 °C. Die Prüfkörper
wurden täglich kontrolliert und die Korro sions -
lösung alle 2 Wochen erneuert. Bei Vorliegen eines
Bruches einer Tellerfeder wird der Versuch beendet.
ERGEBNISSE DER SPANNUNGSRISS-
KORROSIONSVERSUCHE
UND DISKUSSION
Bei der Spannungsrisskorrosion versagen Tellerfedern
grundsätzlich durch Rissbildung. Deshalb
wird hier die Lebensdauer der Tellerfedersäule bis
zum Bruch als das wichtigste Bewertungsmerkmal
erachtet. Um den Einfluss der Schichtung zu analysieren,
wurden die Untersuchungen sowohl an
6 x 1 geschichteter Tellerfedersäule als auch an
4 x 2 geschichteter Tellerfedersäule durchgeführt.
KORROSIONSVERHALTEN
DER 6 X 1 GESCHICHTETEN
TELLERFEDERSÄULE
Die Höhe der (örtlichen) Biegezugspannung hängt
nicht nur von der Vorspannung ab, sondern auch
von der Kerbwirkung der korrosionsbedingten
Kerbe. Darüber hinaus gibt es noch andere Faktoren,
z.B. Oberflächenbeschaffenheit, eventuelle
Werkstofffehler sowie der Fertigungszustand der
Tellerfedern, die den Vorgang der Rissbildung bestimmen
können. Die Versuchsergebnisse wiesen
deshalb eine relativ große Streubreite auf, weshalb
die Versuche möglichst häufig wiederholt wurden.
Dabei wurde jeweils die kürzeste Lebensdauer in
der Auswertung herangezogen. Nach 2500 h wurden
die Versuche ohne Bruch beendet und als Beständigkeitsgrenze
betrachtet.
In den Versuchen wurde festgestellt, dass die Temperatur
und die Belastung die beiden entscheidenden
Faktoren für die Lebensdauer der Feder
sind. Höhere Temperatur bedeutet eine höhere
Korrosionsgeschwindigkeit; für die Rissbildung ist
die Biegezugspannung in der Tellerfeder maßgebend
verantwortlich. Abb. 6: verspannte Tellerfedersäule im Glasgefäß.
Tellerfedervarianten Meerwasser MgCl 2 NaCl NaOH Säure
1.4310 / C / S + D >2500h 356h >2500h >2500h >2500h
1.4310 / C / S + D + K >2500h 429h >2500h >2500h >2500h
1.4310 / B / S + D >2500h 1968h >2500h >2500h >2500h
1.4568 / C/ S + D >2500h 140h >2500h >2500h >2500h
1.4568 / C / S + D + K >2500h 140h >2500h >2500h >2500h
1.4568 / C / S + D + kolsterisiert 284h 2177h >2500h >2500h >2500h
Mechan. verzinkt + gelb chrom. 912h >2500h >2500h >2500h 68h
Mechan. verzinkt + transp. chrom. 1129h >2500h >2500h >2500h 68h
Dacromet beschichtet >2500h >2500h >2500h >2500h 891
Geomet beschichtet >2500h >2500h >2500h >2500h 891
Delta Tone + Delta Seal 620h >2500h 738h >2500h 526h
Chemisch vernickelt 1057h 837h 455h >2500h 380h
Wasserverd. Lackiert 837h >2500h 360h >2500h 262h
Geölt 1323h 1752h 1534h >2500h 839h
In Tabelle 7 sind die kürzesten Lebensdauerwerte
der Tellerfedern wiedergegeben, die bei der statischen
Einfederung 0,8h 0 (80% Einfederung) und
der Versuchstemperatur 80 °C erreicht wurden.
Alle untersuchten Tellerfedern zeigen in der 0,1n
Natronlauge ein sehr gutes Spannungsrisskorrosionsverhalten
im Vergleich zu den anderen Medien.
Bei keiner Tellerfedervariante trat in der Natronlauge
Versagen auf, was auf eine gute Repassivierungsneigung
und –geschwindigkeit zurückzuführen
ist. Selbst die wasserverdünnbar lackierte Tellerfedervariante,
deren Lack sich, wie aus dem Tauchversuch
bekannt, bei 80 °C nach 2 Tagen völlig
ablöst, ist stabil aufgrund von schützenden oxidischen
oder hydroxidischen Deckschichten, die sich
bei einem ph-Wert > 10 bilden.
Die Tellerfedern aus nicht rostenden Stählen
gehen nur in 40%iger MgCl 2 -Lösung zu Bruch, mit
der Ausnahme der kolsterisierten Tellerfedervariante,
die nur in Meerwasseratmosphäre versagte.
Die Dacromet und Geomet beschichteten Teller -
federvarianten brachen in keinem Korrosionsmedium
beim Spannungsrisskorrosionsversuch, wobei
sich deren Beschichtungen nach einiger Zeit aufgelöst
haben, da in sauren Lösungen organischer
Stoffe Zink nicht beständig ist (Dacromet-Beschichtung
nach ca. 20 Versuchsstunden, Geomet-
Beschichtung nach ca. 50 Versuchsstunden). Im
Zustand der abgelösten Beschichtung zeigen diese
beiden Tellerfedervarianten am Versuchsende eine
Flächenkorrosion wie die nur geölte Feder in Zitronensäure.
Die chemisch vernickelten Tellerfedern versagten in
allen Medien außer Natronlauge ähnlich den wasserverdünnbar
lackierten Tellerfedern. Die nur geölte
Tellerfedervariante verhielt sich beim Tauchversuch
am schlechtesten, aber beim Spannungsrisskorrosionsversuch
ging sie nur in Meerwasseratmosphäre
zu Bruch. Entsprechend dem Ergebnis
beim Tauchversuch hat die Delta Tone + Delta Seal
beschichtete Tellerfeder in 40%iger MgCl 2 -Lösung
eine längere Lebensdauer als in 3%iger NaCl-Lösung.
Die meisten beschichteten Tellerfedervarianten
versagten in den chloridhaltigen Lösungen
nicht, aber in Meerwasseratmosphäre. In Deionat
wurden nur die Tellerfedern aus nicht rostenden
Stählen untersucht, wobei alle Federn 2500 Versuchstunden
ohne Befund ertrugen.
Die bei 80 °C durchgeführten Versuche mit Bruch
mindestens einer Tellerfeder wurden noch einmal
bei 40 °C durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der
Tab. 8 zusammengestellt. Die Anzahl der gebrochenen
Tellerfedern bei 40 °C ist stark reduziert, da
mit der Abnahme der Versuchstemperatur die Korrosionsgeschwindigkeit
sinkt und die korrosive Beanspruchung
kleiner ist. Trotzdem versagte die
chemisch vernickelte Tellerfedervariante in 40%iger
Tab. 7:
Lebensdauer der 6 x 1–
Tellerfedersäule im
Spannungsrisskorrosionsversuch
bei
0,8 h 0 und 80 °C.
15

16
Tellerfedervarianten Meerwasser MgCl 2 NaCl NaOH Säure
1.4310 / C / S + D >2500h
1.4310 / C / S + D + K >2500h
1.4310 / B / S + D >2500h
1.4568 / C / S + D >2500h
1.4568 / C / S + D + K >2500h
1.4568 / C / S + D + kolsterisiert >2500h >2500h
Mechan. verzinkt + gelb chrom. >2500h 45h
Mechan. verzinkt + transp. chrom. >2500h 284h
Dacromet beschichtet >2500h
Geomet beschichtet >2500h
Delta Tone + Delta Seal >2500h >2500h >2500h
Chemisch vernickelt 834h 694h 116h 1917h
Wasserverd. lackiert >2500h >2500h 356h
Geölt
Tab. 8:
Lebensdauer der
Tellerfedersäule
(6x1–Schichtung) im
Spannungsrisskorrosionsversuch
bei
0,8h 0 und 40 °C.
Abb. 7:
Zustand der mechanisch
verzinkten und
transparent chromatierten
Tellerfedern
nach über 2500 h
unter 0,2h 0 -Belastung
in Zitronensäure.
MgCl 2 -Lösung und in 3%iger NaCl-Lösung, sowie
die mechanisch verzinkte und lackierte Variante
in 0,1m Zitronensäure. Bei der chemisch vernickelten
Tellerfedervariante erscheint es, dass die
Beschleunigung der lokalen Korrosion des Grundwerkstoffes
an Schwachstellen der edleren Beschichtung
effektiver als die Reduzierung der Korrosion
durch eine niedrige Temperatur überwiegt.
Die Beschichtungen der mechanisch verzinkten
und lackierten Tellerfedern reagieren mit der Zitronensäure
auch sehr stark.
Nach dem Vergleich der Tellerfedervarianten bezüglich
der Lebensdauer bis zum Bruch in verschiedenen
Korrosionsmedien (Tab. 7 und 8), stellen die
folgenden Abschnitte das Spannungsrisskorrosionsverhalten
in den verschiedenen Medien im einzelnen
dar. Dabei werden neben der Lebensdauer bis
zum Bruch auch die Korrosionserscheinungen auf
den Federn nach Versuchende betrachtet, da Auflöseerscheinungen
der Tellerfeder (ohne unmittelbare
Rissbildung) nach einer gewissen Zeit als Versagen
zu bewerten sind (vgl. Abb. 7).
Spannungsrisskorrosionsversuch in Meerwasseratmosphäre
1.4310 / C / D
2.500
1.4310 / C / D + K
2.500
1.4310 / B / D
2.500
1.4568 / C / S + D
2.500
1.4568 / C / S + D + K
2.500
1.4568 / C / S + D + kolsterisiert 284
Mechan. verzinkt + gelb chrom. 912
Mechan. verzinkt + transp. chrom. 1.129
Dacromet beschichtet
2.500
Geomet beschichtet
2.500
Delta Tone + Delta Seal
620
Chemisch vernickelt
1.057
Wasserverd. lackiert
837
Geölt
1.323
Lebensdauer [h] 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500
SPANNUNGSRISSKORROSIONS-
VERHALTEN
IN MEERWASSERATMOSPHÄRE
Abb. 8 zeigt die Lebensdauer aller Tellerfedervarianten
in gesättigter Meerwasser-Atmosphäre bei
0,8h 0 und 80 °C. Alle nicht rostenden Tellerfedern
mit Ausnahme der kolsterisierten sowie die Dacromet
und Geomet beschichteten Tellerfedern brachen
in Meerwasseratmosphäre nicht. Die kolsterisierten
Tellerfedern zeigten dagegen die kürzeste
Lebensdauer (284 Stunden Standzeit).
Die im Meerwasser gelösten Salze bestehen etwa
zu 77,8 % aus Natriumchlorid (Kochsalz) und ca.
10,9 % aus Magnesiumchlorid, womit Chlor-Ionen
ein Hauptbestandteil sind. Chlor-Ionen wirken sich
besonders negativ auf die Korrosion aus, da sie
die Oxidschichten bei nicht rostenden Metallen
porös werden lassen [3].
Die Tellerfedern aus nicht rostendem Stahl zeigten
ein wesentlich besseres Korrosionsverhalten als
die kolsterisierte Variante (Abb. 9). Nach 2500 h
Versuchszeit traten nur kleine rostbraune Flecken
an der Außenkante (1.4310 kugelgestrahlt) auf.
An Unter- und Oberseite der Tellerfedern waren
keine Korrosionsspuren erkennbar.
Tellerfedern korrodieren am Kantenbereich oft
stärker als an der Unter- und Oberseite. Bei den
beschichteten Federn ist dort durch die dünne
oder undichte Beschichtung kein optimaler Korro-
sionsschutz vorhanden. Bei den nicht rostenden
Tellerfedervarianten entsteht im Kantenbereich
durch das Stanzen und das Drehen Umformmartensit,
der weniger korrosionsbeständig ist wie der
Austenit.
Die Tellerfedervarianten aus nicht rostenden Stählen
zeigen hier ein gutes Spannungsrisskorrosionsverhalten,
weil die Konzentration der in Meerwasseratmosphäre
enthaltenen Chlor-Ionen nicht hoch
genug ist, um die Schutzschicht komplett zu zerstören.
Gleichzeitig wird die Schutzschicht durch
den Sauerstoff in der Luft ständig repariert (die
Federn werden nicht im Medium eingetaucht). Einzige
Ausnahme waren die kolsterisierten Federn,
die alle am Ende der Versuchszeit von einer dicken
rostbraunen Korrosionsproduktschicht bedeckt
waren. Ursache hierfür ist der hohe Kohlenstoffgehalt
in der Randzone.
Die Dacromet und Geomet beschichteten Federn
sahen nach 2500 h wie neu aus. Diese beiden
Beschichtungen verleihen in Meerwasseratmosphäre
dem niedrig legierten Grundwerkstoff einen
optimalen Schutz. Die mechanisch verzinkte Tellerfeder
wird von einer schaumartigen rostbraunen
Korrosionsproduktschicht bedeckt, infolge der
niedrigen Chloridkonzentration in Atmosphäre
bildet sich keine Simonkolleit-Schicht
(Zn 5(OH) 8Cl 2·H 2O), sondern es entstehen lockere
und voluminöse Überzüge auf der Oberfläche.
Diese haben keine definierte Zusammensetzung,
sondern bestehen aus verschiedenen Produkten.
Abb. 8:
Vergleich der Lebensdauer
aller Teller -
federvarianten im
Spannungsrisskorro -
sionsversuch in Meerwasseratmosphäre
(0,8h 0 und 80 °C).
17

Abb. 9:
Korrosionserscheinungen
auf den Tellerfedern
beim Spannungsrisskorrosionsversuch
in Meerwasseratmosphäre
(0,8h 0 und
80 °C).
18
Außerdem wird die Wirksamkeit von Chromatschichten
bei Temperaturen über 60 °C abgebaut.
Der Zustand der Delta Tone/Delta Seal beschichteten
Feder ist deutlich schlechter als der der
Geomet beschichteten, aber besser als der der
mechanisch verzinkten. Nur an der Problemzone
Kantenbereich gibt es einige rostbraune Punkte.
Die wasserverdünnbar lackierten und die chemisch
vernickelten Varianten zeigen das gleiche
Problem einer örtlich undichten Beschichtung.
Die nur geölte Tellerfeder korrodiert sehr stark.
Das Schutzöl leistet nur einen kurzzeitigen Schutz,
und der hohe Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre
beschleunigt die Korrosion.
1.4568 / C / S + D + K 1.4568 / C / S + D + kolsterisiert
Mechan. verzinkt + gelb chrom. Delta Tone + Delta Seal
Wasserverd. lackiert Geölt
SPANNUNGSRISSKORROSIONS-
VERHALTEN DER TELLERFEDERSÄULE
IN 40%IGER MGCL 2 -LÖSUNG
In Abb. 10 wird die Lebensdauer aller Varianten
in 40%iger MgCl 2-Lösung bei 0,8h 0 und 80 °C
verglichen und einige Beispiele in Abb. 11 gezeigt.
Von den beschichteten Tellerfedern ging nur die
chemisch vernickelte Variante durch lokale Korro -
sion an den Fehlstellen der Beschichtung und
damit verbundene Kerbwirkung zu Bruch. Der
niedrige Sauerstoffgehalt und die hohe Chloridkonzentration
in 40%iger MgCl 2-Lösung reduzierten
und verhinderten eine Korrosion des Grundwerkstoff
1.8159. Diese beiden Merkmale
40%iger MgCl 2-Lösung sind auch die Hauptgründe
für das schlechte Spannungsrisskorrosionsverhalten
der Tellerfedern aus nicht rostenden Stählen,
deren Schadensverlauf durch Lochkorrosion bestimmt
wird.
Bei den Federn aus dem Material 1.4310 Reihe B
und C (unterschiedliche Dicke) zeigt die Feder der
Größe B im Spannungsrisskorrosionsversuch eine
längere Lebensdauer als die Feder C entgegen
dem Ergebnis aus der elektrochemischen Untersuchung,
wo die Feder B stärker korrodiert. Dies liegt
an einer längeren Rissfortschrittsphase bedingt
durch die größere Materialdicke und damit an
einem deutlichen Einfluss der Abmessung.
Ähnlich wie bei der elektrochemischen Untersuchung
(hier nicht berichtet) zeigt das Kugelstrah-
Spannungsrisskorrosionsversuch in 40% MgCl 2-Lösung
len eine positive Wirkung bei den Tellerfedern aus
1.4310 und keine deutliche Wirkung bei den Tellerfedern
aus 1.4568 auf das Spannungsrisskorrosionsverhalten.
Allgemein bringt das Kugelstrahlen
Druckeigenspannung in die Randschicht der Federn
[7], infolge der Superposition mit äußeren
Belastungen wird die resultierende Biegezugspannung
reduziert. Das funktioniert nur, wenn die
Oberfläche nicht stark korrodiert ist. Die Oberflächenkorrosion
führt einerseits zu einer betriebsbedingten
Kerbwirkung und andererseits zum Abtrag
der mit Druckeigenspannungen ausgestatteten
Schicht. Aus dem Tauchversuch war bekannt, dass
die kugelgestrahlte Tellerfeder aus 1.4568 in 40%iger
MgCl 2-Lösung relativ stark korrodierte.
Die Federn aus 1.4310 haben allgemein eine längere
Lebensdauer als die Federn aus 1.4568. Das
gilt auch für die nicht kugelgestrahlte Feder aus
1.4310 und die kugelgestrahlte Feder aus
1.4568. Das heißt, dass der Werkstoff selbst von
größerer Bedeutung für das Korrosionsverhalten
der Tellerfedern ist als ihr Fertigungszustand.
Fast alle aus nicht rostenden Stählen gefertigten
Tellerfedervarianten werden von einer dünnen
Schicht rostbraunen Korrosionsprodukts bedeckt,
mit Ausnahme der kolsterisierten Variante. Das
entspricht den Ergebnissen aus dem Tauchversuch.
Bei den rost- und säurebeständigen, hoch legierten
Chrom- und Chrom-Nickel-Stählen besteht
Lochkorrosionsgefahr in halogenidhaltigen (besonders
Chlorid- und Bromid-haltigen) wässrigen
1.4310 / C / D
356
1.4310 / C / D + K
429
1.4310 / B / D
1.968
1.4568 / C / S + D
140
1.4568 / C / S + D + K 140
1.4568 / C / S + D + kolsterisiert 2.177
Mechan. verzinkt + gelb chrom. 2.500
Mechan. verzinkt + transp. chrom. 2.500
Dacromet beschichtet
2.500
Geomet beschichtet
2.500
Delta Tone + Delta Seal 2.500
Chemisch vernickelt
837
Wasserverd. lackiert
2.500
Geölt
1.752
Lebensdauer [h] 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500
Abb. 10:
Vergleich der Lebensdauer
aller Tellerfedervarianten
beim Spannungsrisskorrosions
-
versuch in 40%iger
MgCl 2-Lösung
(0,8h 0 und 80 °C).
19

Abb. 11:
Korrosionserscheinung
auf den Tellerfedern
beim Spannungsrisskorrosionsversuch
in 40%iger
MgCl 2-Lösung
(0,8h 0 und 80 °C).
20
1.4310 / C / S + D 1.4568 / C / S + D + kolsterisiert
Delta Tone + Delta Seal Chemisch vernickelt
Geölt
Lösungen. Halogenidionen sind in der Lage, die an
Luft gebildeten Passivschichten derartiger Stähle
zu »durchschlagen« und auf diese Weise lokale,
aktiv korrodierende anodische Zentren zu bilden.
Da die Passivschichten elektronenleitend sind,
fungiert die ungestörte Umgebung als Kathode.
Ein rasches Vordringen der Korrosion in den Werkstoff
hinein ist die Folge. Die Lochkorrosionsgefahr
derartiger Stähle erhöht sich mit zunehmender Verunreinigung.
Die durch Lochkorrosion entstandene Kerbe führt
jedoch zu einer lokalen Zugspannungserhöhung.
Ist keine zwischenzeitliche Repassivierung möglich,
dann erfolgt der Angriff stetig in die Tiefe, der Riss
pflanzt sich mit steigender Geschwindigkeit fort. In
chloridhaltigen Medien ist der Rissbildungsmechanismus
oft von Lochkorrosion begleitet, die sich
dann verstärkt ausbilden kann, wenn der Riss nur
langsam fortschreitet. Aus diesem Grund ergeben
sich je nach Rissfortschrittsgeschwindigkeit die in
Abbildung 12 dargestellten Varianten.
passiv Lochfraß »aktiv« stark aktiv
Da der Kantenbereich am stärksten korrodiert und
am höchsten beansprucht wird, entsteht der Riss
oft am äußeren Federrand. Dann breitet er sich in
Richtung des inneren Federrandes aus. Dieser Vorgang
erfolgt bei den Federn aus 1.4310 langsamer,
weil der Stahl 1.4310 duktiler ist. Die Rissanfälligkeit
nimmt in der Regel mit höherer Biegezugspannung
und steigender Temperatur zu.
Die kolsterisierte Variante versagte nicht durch
Bruch, obwohl die Feder von einer dicken Deckschicht
bedeckt wurde. Sie korrodiert am Anfang
sehr stark, nach einiger Zeit aber nicht mehr, die
Lösung bleibt klar. Diese thermodynamisch stabile
Deckschicht (Fe 3 O 4 , Fe(OH) 2 ) funktioniert wie eine
Spannungsrisskorrosionsversuch in 3% NaCl-Lösung
Schutzschicht und behindert den weiteren Fortschritt
der Korrosion. Der andere Grund dafür,
dass die kolsterisierte Feder nicht brach, ist, dass
hier nur eine Flächenkorrosion infolge des dichten
und gleichmäßig verteilten Kohlenstoffs stattfindet.
Ähnliches gilt auch für die nur geölte Feder, sie
verhielt sich beim Tauchversuch in 40%iger
MgCl 2 -Lösung am schlechtesten.
Die chemisch vernickelte Tellerfeder ging durch die
von der lokalen Korrosion hervorgerufenen Kerbwirkung
zu Bruch. Auf den mechanisch verzinkten
sowie den Dacromet und Geomet beschichteten
Federn sind kaum Korrosionsspuren zu erkennen.
Die entstehende Simonkolleit-Schicht schützt die
1.4310 / C / D
2.500
1.4310 / C / D + K
2.500
1.4310 / B / D
2.500
1.4568 / C / S + D
2.500
1.4568 / C / S + D + K
2.500
1.4568 / C / S + D + kolsterisiert 2.500
Mechan. verzinkt + gelb chrom. 2.500
Mechan. verzinkt + transp. chrom. 2.500
Dacromet beschichtet
2.500
Geomet beschichtet
2.500
Delta Tone + Delta Seal
738
Chemisch vernickelt
455
Wasserverd. lackiert
360
Geölt
1.534
Lebensdauer [h] 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500
Abb. 12:
Erscheinungsbild trans -
kristalliner Spannungsrisskorrosion
bei rostund
säurebeständigen
Cr–Ni-Stählen im metallographischen
Schliff
(schematisch) [8].
Abb. 13:
Vergleich der Lebensdauer
aller Tellerfedervarianten
beim Spannungsrisskorrosionsversuch
in 3%iger
NaCl-Lösung
(0,8h 0 und 80 °C).
21

Abb. 14:
Korrosionserscheinungen
auf den Tellerfedern
beim Spannungsrisskorrosionsversuch
3%iger NaCl-Lösung
(0,8h 0 und 80 °C).
22
1.4568 / C / S + D + K 1.4568 / C / S + D + kolsterisiert
Delta Tone + Delta Seal Chemisch vernickelt
Wasserverdünnbar lackiert Geölt
Federn gegen Korrosion, der andere Beschichtungsbestandteil
Aluminium ist in neutralen Korrosionselektrolyten
(pH 5 bis 9) sehr gut korrosionsbeständig.
Etwas schlechter im Vergleich dazu ist
die mit Delta Tone/Delta Seal beschichtete Feder,
die einige rostbraune Korrosionspunkte an den Federkanten
aufweist.
SPANNUNGSRISSKORROSIONS-
VERHALTEN DER TELLERFEDERSÄULE
IN 3%IGER NACL-LÖSUNG
In der Abb. 13 wird die Lebensdauer aller Tellerfedervarianten
in 3%iger NaCl-Lösung bei 0,8h 0 und
80 °C dargestellt. Das Spannungsrisskorrosionsverhalten
der meisten Tellerfedern in 3%iger NaCl-
Lösung ist besser als in 40%iger MgCl 2 -Lösung,
da die elektrische Leitfähigkeit 3%iger NaCl-Lösung
niedriger als 40%iger MgCl 2 -Lösung ist und
weniger Ionen in die Lösung gehen, die die Korrosion
an der Metalloberfläche begünstigen. Hier
versagte keine Variante aus nicht rostenden Stählen.
Im Gegensatz dazu gingen die wasserverdünnbar
lackierte und die mit Delta Tone und Delta
Seal beschichtete Variante zu Bruch.
Die Abb. 14 zeigt einige Tellerfedern nach dem Versuch
in 3%iger NaCl-Lösung. Insgesamt ist der Zustand
der Federn besser als nach dem Versuch in
Meerwasseratmosphäre und in 40%iger MgCl 2 -
Lösung. Hier liegt ein geringeres Sauerstoffangebot
vor als in Meerwasseratmosphäre, da die Tellerfedersäule
in die Lösung eingetaucht wird. Die niedrigere
Chloridkonzentration hat den Vorteil, dass
die Luftpassivschicht nicht stark geschädigt wird,
weshalb die Tellerfedern aus nicht rostenden Stählen
nur von einer dünnen bräunlichen Schicht bedeckt
werden. Andererseits liegt der Nachteil vor,
dass die Simonkolleit-Schicht auf der mit Delta
Tone und Delta Seal beschichteten Tellerfeder
nicht vollständig gebildet wurde durch die kleine
Cl¯-Konzentration. Weiße Flecken und rostbraune
Korrosionspunkte sind der Beweise für die Korrosion
der Beschichtung und des Grundwerkstoffes.
Bei der wasserverdünnbar lackierten und der mit
Delta Tone/Delta Seal beschichteten Tellerfedervariante
gelangte die NaCl-Lösung durch die Kanäle
in der Beschichtung an den Grundwerkstoff. Das
führt zum Bruch der Federn. Die undichte Beschichtung
ist ein unsicherer Faktor für das Korro-
Spannungsrisskorrosionsversuch in 0,1 m Zitronensäure
sionsverhalten der Tellerfeder. Ähnlich ist es auch
bei den chemisch vernickelten Tellerfedern durch
die vorliegenden Poren in der Beschichtung, wobei
hier noch die Kontaktkorrosion zwischen Beschichtung
und Grundwerkstoff zu einer Beschleunigung
führt. Die chemische Vernickelung leistet hier keine
Schutzwirkung und das letztendliche Versagen war
der Bruch der Tellerfeder.
Die nur geölten Tellerfedern versagten zum Ende
ebenfalls durch Bruch, da das Öl nur einen kurzzeitigen
Korrosionsschutz bieten kann.
SPANNUNGSRISSKORROSIONS-
VERHALTEN DER TELLERFEDERSÄULE
IN 0,1M ZITRONENSÄURE
In der Abb. 15 wird die Lebensdauer aller Tellerfedervarianten
in der 0,1m Zitronensäure bei 0,8h 0
und 80 °C gegenüber gestellt. Die Tellerfedervarianten
aus nicht rostenden Stählen überstehen
2500 Stunden Versuchszeit ohne Bruch. Gleiches
gilt für die Dacromet und Geomet beschichteten
Federn sowie für die nur geölte Feder, jedoch bei
erheblichem Oberflächenkorrosionsangriff. Die mechanisch
verzinkten Federn weisen in Zitronensäure
die kürzeste Lebensdauer der sechs untersuchten
Medien auf. Ebenso wie in 3%iger NaCl-
Lösung gingen die mit Delta Tone und Delta Seal
beschichteten, die wasserverdünnbar lackierten
sowie die chemisch vernickelten Federn zu Bruch.
1.4310 / C / D
2.500
1.4310 / C / D + K
2.500
1.4310 / B / D
2.500
1.4568 / C / S + D
2.500
1.4568 / C / S + D + K
2.500
1.4568 / C / S + D + kolsterisiert 2.500
Mechan. verzinkt + gelb chrom. 68
Mechan. verzinkt + transp. chrom. 68
Dacromet beschichtet
2.500 891 h für Geo + Dacro!
Geomet beschichtet
2.500 891 h für Geo + Dacro!
Delta Tone + Delta Seal
526
Chemisch vernickelt
380
Wasserverd. lackiert
262
Geölt
2.500 839 h für geölt!
Lebensdauer [h] 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500
Abb. 15:
Vergleich der Lebensdauer
aller Tellerfedervarianten
beim
Spannungsrisskorrosionsversuch
in
0,1m Zitronensäure
(0,8h 0 und 80 °C).
23

Abb. 16:
Korrosionserscheinung
auf den Tellerfedern
beim Spannungsrisskorrosionsversuch
in
0,1m Zitronensäure
(0,8h 0 und 80 °C).
24
1.4568 / C / S + D + K 1.4568 / C / S + D + kolsterisiert
Mechan. verzinkt + gelb chromatiert Delta Tone + Delta Seal
Chemisch vernickelt Wasserverdünnbar lackiert
Geölt
Abbildung 16 zeigt die verschiedenen Tellerfedervarianten
nach dem Versuch in 0,1m Zitronensäure.
Auf den Tellerfedern aus nicht rostenden Stählen
sind keine Korrosionserscheinungen zu erkennen,
mit Ausnahme der kolsterisierten Tellerfeder.
Die Zitronensäure gehört zu den passivschichterzeugenden
Medien. Aus den Ergebnissen der elektrochemischen
Untersuchung (hier nicht berichtet)
geht hervor, dass die verletzte Passivschicht auf
nicht rostenden Stählen in Zitronensäure sogar
repariert wird. Die Tellerfedern aus nicht rostenden
Stählen werden durch ihren hohen Chromgehalt
von der an Luft und in Säure gebildeten Passivschicht
gegen Korrosion geschützt. Auf der kolsterisierten
Feder bildet sich eine schwarze Schicht,
die aus Kohlenstoff bestand.
Die beschichteten Federn verhielten sich im Gegensatz
zu den nicht rostenden Stählen in 0,1m
Zitronensäure sehr viel schlechter. Keine der Varianten
hatte eine Standzeit über 1000 h. Durch die
elektrochemische Untersuchung (hier nicht berichtet)
und den Tauchversuch ist bekannt, dass der
Zn-Anteil der Beschichtung mit der Zitronensäure
chemisch reagiert. Dadurch entstanden Risse im
Überzug der mechanisch verzinkten Federn, die
aufgrund der hervorragenden Haftung des Überzugs
bis zum Grundwerkstoff reichten. Außerdem
blieb die Wirksamkeit von Chromatschichten nur
bis zu Temperaturen von 60 °C erhalten. Die beiden
Faktoren führten zur Absenkung der Lebensdauer
der mechanisch verzinkten Tellerfedern und
damit zu der kürzesten Standzeit (68 h).
In sauren Lösungen organischer Stoffe ist Zink
nicht beständig. Die Dacromet- und Geomet-Beschichtungen
lösten sich in der Zitronensäure auf.
Nach einiger Zeit waren die Federn komplett frei
von der Beschichtung (Dacromet-Beschichtung
nach ca. 20 h, Geomet-Beschichtung nach ca.
50 h). Deshalb zeigten diese beiden Tellerfedervarianten
zum Versuchsende eine Flächenkorrosion
wie die nur geölte Feder in Zitronensäure.
Die mit Delta Tone und Delta Seal beschichtete
Tellerfeder verhält sich in der Zitronensäure besser
als die anderen Beschichtungsvarianten. Die Beschichtung
wurde nur an den Kanten zerstört, die
organische Deckschicht Delta-Seal wirkt isolierend
und war gegen Säuren und Laugen beständig.
Aber wegen der schlechten Verteilung der Deckschicht
an den Kanten wurde nur eine kurze
Standzeit erreicht.
Die undichten Stellen in der Lackschicht bzw.
Nickelschicht der wasserverdünnbar lackierten
bzw. chemisch vernickelten Tellerfedern, die beim
Tauchversuch schon angeführt wurden, verursachen
eine Spaltkorrosion unter der Beschichtung.
Dadurch erfolgt ein rasches Vordringen der Korrosion
in die Tiefe des Werkstoffes mit dem Ergebnis
eines frühzeitigen Wanddurchbruchs.
Die Rissanfälligkeit nimmt in der Regel mit höherer
Zugspannung und steigender Temperatur zu. Wenn
die Zugspannung in der Tellerfeder zu klein ist,
geht die Tellerfedersäule nicht durch die Rissbildung
zu Bruch, sondern durch das Auflösen (vgl.
Abb. 7). Tellerfedern, die mit Zitronensäure in Berührung
kommen, sollten am besten aus den nicht
rostenden Stählen hergestellt werden.
Die Spannungsrisskorrosionsversuche wurden
dann als beendet erklärt, wenn eine Feder in der
Säule zu Bruch gegangen ist oder die Versuchszeit
über 2500 Stunden war. Bei der Ausfallursache
Bruch wurde erkannt, dass die Position der gebrochenen
Tellerfeder in der Säule relativ gleichmäßig
verteilt war.
Zum Ende der Untersuchungen wurde festgestellt,
dass die Standzeit bis zum Bruch das Spannungsrisskorrosionsverhalten
der Tellerfeder allein nicht
vollständig darstellen kann. So können z.B. die in
der Abb. 7 gezeigten Tellerfedern nicht als »ohne
Bruch« und damit als gut bewertet werden, ebenso
die in der Abb. 16 gezeigten geölten Tellerfedern
mit einer dicken Korrosionsschicht. In der
praktischen Anwendung wird diese Korrosionsschicht
vermutlich ständig zerstört werden, womit
dann die Korrosion schnell weiterschreiten würde
bis zum kompletten Auflösen der Tellerfeder. Eine
weitere Beurteilungsmöglichkeit ist den Masseverlust
als zweites Bewertungskriterium einzufügen.
In Tab. 9 wurde der Masseverlust der Tellerfedern
wiedergegeben, deren Versuche in Tab. 7 aufgelistet
sind. Die mechanisch verzinkte und gelb chromatierte
Feder versagte nach 68 Stunden mit
einem Masseverlust von 1,347 g, die geölte Feder
verlor ohne Bruch eine Masse von 18,992 g, weil
die geölte über 2500 Stunden in 0,1m Zitronensäure
flächig korrodiert. Daraus ist ersichtlich,
dass der Masseverlust das Korrosionsverhalten
auch nicht ohne weiteres richtig wieder spiegelt.
Trotzdem zeigt die Tab. 9, dass die Dacromet beschichteten
und Geomet beschichteten Federn,
nachdem ihre Beschichtungen in der Zitronensäure
aufgelöst worden waren, nun quasi »ohne Beschichtung«
ein ähnliches Verhalten wie die geölte
Feder hatten.
25

26
Tellerfedervarianten Meerwasser MgCl 2 NaCl NaOH Säure
Mechan. verzinkt + gelb chrom. 1,9394 g 0,5482 g -0,2192 g 1,3707 g 1,3470 g
Mechan. verzinkt + transp. chrom. 2,6715 g -0,2885 g -0,2210 g 1,6221 g 1,6088 g
Dacromet beschichtet 0,6649 g 0,7984 g 1,0361 g 0,9095 g 19,0022 g
Geomet beschichtet 0,0059 g 0,1439 g 0,0835 g 1,6671 g 19,0970 g
Delta Tone + Delta Seal 0,6709 g -0,2747 g 0,1009 g 0,0049 g 4,0592 g
Chemisch vernickelt -0,1139 g 0,5140 g 0,1984 g 0,1427 g 4,2412 g
Wasserverd. lackiert 0,5094 g 0,1108 g 0,5552 g 2,2457 g 3,8797 g
Geölt 1,3517 g 1,8057 g 0,8286 g 1,9917 g 18,9917 g
Tab. 9:
Masseverluste der
Tellerfedersäule
(6x1-Schichtung)
beim Spannungsrisskorrosionsversuch
bei 0,8h 0 und 80 °C.
Tab. 10:
Verhalten der Tellerfeder
beim Spannungsrisskorrosionsversuch
(80 °C).
✩ – gut
★ – mittel
✪ – schlecht
● – sehr schlecht
Zum Schluss wurde neben der Standzeit bis zum
Bruch zusätzlich die Korrosionserscheinung in die
Bewertung des Korrosionsverhaltens eingebunden.
Das Spannungsrisskorrosionsverhalten der Tellerfedern
wurde nach folgenden Kriterien beurteilt und
eingestuft:
■ Gut
Über 2500 h ohne Bruch
bei 0,8h 0-Belastung und
Geringe Korrosionserscheinung (punktförmig)
■ Mittel
Lebensdauer zwischen 1200 h und 2500 h
bei 0,8h 0-Belastung oder
Eindeutige Korrosionserscheinung
(fleckenförmig)
■ Schlecht
Lebensdauer zwischen 300 h und 1200 h
bei 0,8h 0-Belastung oder
Die Federn werden von dünnen
Korrosionsprodukten bedeckt (flächig)
■ Sehr schlecht
Lebensdauer unter 300 h
bei 0,8h 0-Belastung oder
Die Federn werden von dicken
Korrosionsprodukten bedeckt (flächig)
Die mit »gut« bewerteten Tellerfedern sind in den
entsprechenden Fällen ohne Bedenken einsetzbar,
die mit »sehr schlecht« bewerteten Tellerfedern
dagegen auf keinen Fall. Die Verwendung von
Tellerfedern mit der Bewertung »mittel« und
»schlecht« muss im Einzelfall abgewogen werden.
Tellerfedervarianten Meerwasser MgCl 2 NaCl NaOH Säure
1.4310/C/S + D ✩ ✪ ✩ ✩ ✩
1.4310/C/S + D + K ✩ ✪ ✩ ✩ ✩
1.4310/B/S + D ✩ ★ ✩ ✩ ✩
1.4568/C/S + D ✩ ● ✩ ✩ ✩
1.4568/C/S + D + K ✩ ● ✩ ✩ ✩
1.4568/C/S + D + kolsterisiert ● ● ★ ✩ ✪
Mechanisch verzinkt + gelb chrom. ✪ ★ ★ ★ ●
Mechanisch verzinkt + transp. chrom. ✪ ★ ★ ✩ ●
Dacromet beschichtet ✩ ✩ ✩ ✩ ●
Geomet beschichtet ✩ ✩ ✩ ✩ ●
Delta Tone + Delta Seal ✪ ★ ✪ ✪ ✪
Chemisch vernickelt ✪ ✪ ✪ ✩ ✪
Wasserverd. lackiert ✪ ✪ ✪ ★ ●
Geölt ✪ ● ● ★ ●
Tellerfedervarianten Meerwasser MgCl 2 NaCl NaOH Säure
1.4310/C/S + D ✩ ✩ ✩ ✩ ✩
1.4310/C/S + D + K ✩ ✩ ✩ ✩ ✩
1.4310/B/S + D ✩ ✩ ✩ ✩ ✩
1.4568/C/S + D ✩ ★ ✩ ✩ ✩
1.4568/C/S + D + K ✩ ★ ✩ ✩ ✩
1.4568/C/S + D + kolsterisiert ✪ ★ ★ ✩ ★
Mechanisch verzinkt + gelb chrom. ★ ✩ ✩ ✩ ●
Mechanisch verzinkt + transp. chrom. ★ ✩ ✩ ✩ ●
Dacromet beschichtet ✩ ✩ ✩ ✩ ✪
Geomet beschichtet ✩ ✩ ✩ ✩ ✪
Delta Tone + Delta Seal ★ ✩ ✩ ✪ ✪
Chemisch vernickelt ✪ ✪ ● ✩ ✪
Wasserverd. lackiert ✪ ✪ ✪ ★ ✪
Geölt ✪ ✪ ✪ ★ ✪
In den Tab. 10 und 11 ist die Bewertung des
Spannungsrisskorrosionsverhaltens der Tellerfedern
in den fünf Medien bei 40 °C und 80 °C zusammengefasst.
Durch die Reduzierung der Korrosionsgeschwindigkeit
verhalten sich die meisten
Tellerfedern bei 40 °C besser als bei 80 °C.
KORROSIONSVERHALTEN
DER 4 x 2–GESCHICHTETEN
TELLERFEDERSÄULE
Einige ausgewählte Tellerfedervarianten wurden
auch in Form einer 4 x 2-Tellerfedersäule untersucht
und einige Ergebnisse in Tab. 12 und 13
dargestellt. Die Lebensdauer der 4 x 2-Tellerfedersäule
war wesentlich länger als die der 6 x 1-
Schichtung.
Temperatur Belastung 1.4310 / C / S + D 1.4310 / C / S + D + K
6 x 1- 4 x 2- 6 x 1- 4 x 2-
Schichtung Schichtung Schichtung Schichtung
40 °C 0,6 h 0 >2500 h >2500 h >2500 h >2500 h
0,8 h 0 >2500 h >2500 h >2500 h >2500 h
80 °C 0,6 h 0 596 h 766 h 476 h >2500 h
0,8 h 0 356 h 766 h 429 h 1033 h
Temperatur Belastung Gelb chromatiert Transparent chromatiert
6 x 1- 4 x 2- 6 x 1- 4 x 2-
Schichtung Schichtung Schichtung Schichtung
80 °C 0,4 h 0 220 h 2056 h 95 h 2032 h
0,6 h 0 45 h 284 h 69 h 142 h
0,8 h 0 68 h 142 h 68 h 116 h
Tab. 11:
Verhalten der Tellerfeder
beim Spannungsrisskorrosionsversuch
(40 °C).
✩ – gut
★ – mittel
✪ – schlecht
● – sehr schlecht
Tab. 12:
Vergleich der Standzeit
der Tellerfedern
aus 1.4310 bei unterschiedlicherSchichtung
in 40%iger Lösung
MgCl 2-Lösung.
Tab. 13:
Vergleich der Standzeit
der mechanisch
verzinkten Tellerfedern
bei unterschiedlicher
Schichtung in
0,1 m Zitronensäure.
27

28
Abb. 17: auf 0,2h 0 (20 % Federweg) verspannte
4 x 2-Tellerfedersäule.
Durch die gleichsinnige Schichtung bei der
4 x 2-Tellerfedersäule wird eine zusätzliche Reibung
zwischen den Kegelmantelflächen hervorgerufen,
die die Ausbreitung der Risse verzögert. Außerdem
sind bei der 4 x 2-Tellerfedersäule nicht alle Oberflächen
wie bei der 6 x 1–Schichtung im Kontakt
mit dem Korrosionsmedium (vgl. Abb. 17 und 18).
Die Positionen der gebrochenen Tellerfedern in der
4 x 2-Schichtung verteilen sich ähnlich wie in der
6 x 1–Schichtung relativ gleichmäßig.
ZUSAMMENFASSUNG
DER SPANNUNGSRISS-
KORROSIONSVERSUCHE
Die Dacromet beschichteten und Geomet beschichteten
Federn haben das beste Spannungsrisskorrosionsverhalten
in vier der untersuchten
Medien, aber nicht in Zitronensäure. Die beschichteten
Tellerfedern sind nicht geeignet für den Einsatz
in Zitronensäure wegen der fehlenden chemischen
Beständigkeit. Die mechanisch verzinkten
Abb. 18: Korrosionserscheinung an den mechanisch
verzinkten Tellerfedern in der Zitronensäure.
Tellerfedern waren wegen des fehlenden Barriere-
Effekts etwas schlechter. Tellerfedern, die mit
Säure in Berührung kommen, sollten aus nichtrostenden
Stählen hergestellt werden. Fast alle Federvarianten
verhielten sich gut in Natronlauge und
Deionat. In den chloridhaltigen Medien gingen die
Tellerfedern aus nichtrostenden Stählen wegen der
hohen Chloridkonzentration (40%ige MgCl 2 -Lösung)
und einige beschichtete Varianten aufgrund
der Chloridkonzentration in Verbindung mit einem
hohen Sauerstoffangebot (Meerwasseratmos -
phäre) zu Bruch. Die chemisch vernickelten und
lackierten Tellerfedervarianten versagten in fast
allen Medien.
In der Tab. 14 werden die Ergebnisse aus dem
Tauchversuch und dem Spannungsrisskorrosionsversuch
gegenüber gestellt. Die Ergebnisse aus
dem Spannungsrisskorrosionsversuch sind deutlich
schlechter als die aus dem Tauchversuch, d.h.
trotz unterschiedlicher Versuchsbedingungen können
aus dem Tauchversuch bereits erste Hinweise
zum Spannungsrisskorrosionsverhalten abgeleitet
werden.
Tellerfedervarianten 40% MgCl 2 3% NaCl 0,1n NaOH 0,1m Säure
Tauch- SpRK Tauch- SpRK Tauch- SpRK Tauch- SpRK
versuch versuch versuch versuch
1.4310/C/S + D ★ ✪ ✩ ✩ ✩ ✩ ✩ ✩
1.4310/C/S + D + K ★ ✪ ✩ ✩ ✩ ✩ ✩ ✩
1.4310/B/S + D ★ ★ ✩ ✩ ✩ ✩ ✩ ✩
1.4568/C/S + D ★ ● ✩ ✩ ✩ ✩ ✩ ✩
1.4568/C/S + D + K ✪ ● ★ ✩ ✩ ✩ ✩ ✩
1.4568/C/S + D + kolsterisiert ● ● ✪ ★ ✩ ✩ ✩ ✪
Mechanisch verzinkt + gelb chrom. ✩ ★ ✪ ★ ✩ ★ ● ●
Mechanisch verzinkt + transp. chrom. ✩ ★ ★ ★ ✩ ✩ ● ●
Dacromet beschichtet ✩ ✩ ✩ ✩ ✩ ✩ ● ●
Geomet beschichtet ✩ ✩ ✩ ✩ ✩ ✩ ● ●
Delta Tone + Delta Seal ✩ ★ ★ ✪ ✩ ✪ ✪ ✪
Chemisch vernickelt ✪ ✪ ✪ ✪ ✩ ✩ ✪ ✪
Wasserverd. lackiert ✩ ✪ ✩ ✪ ★ ★ ✪ ●
Geölt ● ● ● ● ✩ ★ ● ●
VDA-WECHSELTESTS
MIT MECHANISCHER
BEANSPRUCHUNG
DURCHFÜHRUNG
VDA-Wechseltests mit mechanischer Beanspruchung
stellen eine Kombination der Spannungsrisskorrosionsversuche
und des VDA-Wechseltests
(VDA-Prüfblatt 612-415) dar. Eine verspannte Tellerfedersäule
wird bei der genormten VDA-Wechseltestbedingung
ausgesetzt [4].
ERGEBNISSE DES VDA-WECHSELTESTS
MIT MECHANISCHER
BEANSPRUCHUNG UND DISKUSSION
Die Versuchsbedingung beim VDA-Wechseltest mit
mechanischer Beanspruchung ist ähnlich wie bei
den Spannungsrisskorrosionsversuchen in Meerwasseratmosphäre.
Die Proben werden einer zeitweilig
chloridhaltigen Atmosphäre und viel Sauerstoff
ausgesetzt.
Da die Versuchstemperatur beim VDA-Wechseltest
deutlich niedriger ist als 80 °C, ist die Lebens dauer
Tab. 14:
Vergleich der Ergebnisse
aus dem Tauchversuch
und dem
Spannungsrisskorrosionsversuch.
✩ – gut
★ – mittel
✪ – schlecht
● – sehr schlecht
Abb. 19:
Arbeitsschritte für
die VDA-Wechseltests
mit mechanischer
Beanspruchung.
29

Tab. 15:
Ergebnisse aller
VDA-Wechseltests
mit mechanischer
Beanspruchung.
30
beim VDA-Wechseltest länger als die der Spannungsrisskorrosionsversuche
in Meerwasseratmosphäre
bei 80 °C, aber kürzer als bei 40 °C. Alle
Ergebnisse sind in Tab. 15 dargestellt. Bei den
nicht rostenden Stählen ist nur die kolsterisierte
Variante zu Bruch gegangen. Entsprechend dem
VDA-Wechseltest verhielten sich die gelb chromatierten
Federn schlechter als die transparent chromatierten.
Auch die Varianten geölt bzw. chemisch
vernickelt versagten hier, aber mit abnehmender
Vorspannung wird die Lebensdauer deutlich verlängert.
Undichte Stellen in der Beschichtung
führten zu Punktkorrosion an den Kanten der
chemisch vernickelten und lackierten Tellerfedern.
In Abb. 20 wird die Korrosionserscheinung auf den
Tellerfedern nach dem VDA-Wechseltest gezeigt.
Die geölten, die mit Delta Tone und Delta Seal
beschichteten, die mechanisch verzinkten und die
kolsterisierten Tellerfedern werden von einer dicken
Korrosionsproduktschicht bedeckt. Auf den Dacromet
beschichteten und auch auf den Geomet
beschichteten Tellerfedern war keine eindeutige
Korrosion erkennbar. Die meisten Tellerfedervarianten
wurden von einer dünnen rostbraunen Schicht
bedeckt. Undichte Stellen in der Beschichtung
führen zur Punktkorrosion an den Kanten der
wasserverdünnbaren lackierten und chemisch
vernickelten Tellerfedern.
ZUSAMMENFASSUNG
DES VDA-WECHSELTESTS
MIT MECHANISCHER
BEANSPRUCHUNG
Im VDA-Wechseltest zeigten die Tellerfedervarianten
aus 1.4310 eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit
durch den hohen Cr- und Ni-Anteil des
Werkstoffes. Die Korrosionsbeständigkeit der Tellerfedervarianten
aus 1.4568 ist etwas schlechter,
besonders die kolsterisierte Variante durch den
beim Kolsterisieren eingebrachten hohen Kohlenstoffgehalt
in der Oberfläche. In dem VDA-Wechseltest
wurde keine vollständige Simonkolleit-
Schicht auf der Zinkbeschichtung gebildet. Nach
Verbrauchen der Zinkbeschichtung wurde der
Grundwerkstoff stark korrodiert. Die Dacromet-Beschichtung
und die Geomet-Beschichtung boten
den niedrig legierten Federn einen ausreichenden
Schutz. Die chemische Vernickelung und der wasserverdünnbare
Lack wurden wegen der undichten
Stellen in den Beschichtungen als schlecht bewertet.
Die geölte Variante verhält sich am schlechtesten,
da der Grundwerkstoff niedrig legiert ist und
das Öl nur kurzzeitigen Schutz bietet.
Tellerfedervarianten 0,2 h 0 0,4 h 0 0,6 h 0 0,8 h 0
1.4310/C/S + D >2500 h >2500 h
1.4310/C/S + D + K >2500 h >2500 h
1.4310/B/S + D >2500 h
1.4568/C/S + D >2500 h
1.4568/C/S + D + K >2500 h
1.4568/C/S + D + kolsterisiert 1228 h
Mechanisch verzinkt + gelb chrom. 2043 h
Mechanisch verzinkt + transp. chrom. >2500 h
Dacromet beschichtet >2500 h
Geomet beschichtet >2500 h
Delta Tone + Delta Seal >2500 h
Chemisch vernickelt 1636 h 841 h
Wasserverd. lackiert >2500 h
Geölt 1924 h
1.4310 / C / S + D 1.4568 / C / S + D + kolsterisiert
Mechan. verzinkt + gelb chromatiert Dacromet beschichtet
Delta Tone + Delta Seal Chemisch vernickelt
Wasserverdünnbar lackiert Geölt
Abb. 20:
Korrosionserscheinung
auf den Tellerfedern
nach dem VDA-Wechseltest
mit mechanischer
Beanspruchung.
31

32
SCHWINGUNGSRISS-
KORROSIONSVERSUCHE
Ähnlich wie beim Spannungsrisskorrosionsversuch
sind die Tellerfedern auch hier einer Komplexbeanspruchung
(mechanisch und korrosiv) unterworfen,
aber im Unterschied zum Spannungsrisskorrosionsversuch
wird hier eine wechselnde mechanische
Belastung (zyklische Beanspruchung) aufgebracht.
DURCHFÜHRUNG DER SCHWINGUNGS-
RISSKORROSIONSVERSUCHE
Für diese Versuche wurden besondere Anforderungen
an die Versuchsdurchführung gestellt. Die Tellerfedersäulen
6 x 1 sollten mit einer Innenführung
ohne Fettung betätigt werden und dabei eine kontinuierliche
Berieselung mit dem Korrosionsmedium
stattfinden. Auf eine Versuchsführung mit
einem kompletten Eintauchen der Säule in das
Korrosionsmedium wurde verzichtet, um keinen
hydrostatischen Druckaufbau im Innenbereich der
Säule zu erzeugen, wodurch zusätzliche Kräfte auf
die Tellerfedern wirken können.
Abb. 21 Prüfstand für
Schwingungsrisskorrosionsversuch.
Die Werkstücke der Prüfvorrichtung zur Betätigung
der Säulen wurden aus einem Keramikwerkstoff
hergestellt, der über eine ausreichende Härte, Korrosions-
und Verschleißbeständigkeit verfügte und
auch elektrisch isolierend ist. Anfängliche Ausfälle
der Prüfvorrichtungen durch Bruch konnten mit
Hilfe eines geeigneten konstruktiven Aufbaus behoben
werden.
Der Prüfstand für die Schwingungsrisskorrosionsversuche
(Abbildung 21 und 22) besteht aus den
drei Modulen servohydraulische Prüfmaschine
(max. Kraft 63 kN, max. Hub 100 mm), Korro -
sionskammer und Vorratsgefäß mit Pumpe.
ERGEBNISSE DER SCHWINGUNGS-
RISSKORROSIONSVERSUCHE
In Tabelle 16 sind die Schwingspielzahlen der Tellerfedern
bis zum Bruch beim Schwingungsrisskorrosionsversuch
(Schwingbreite 0,2h 0 bis 0,8h 0)
in den verschiedenen Medien zusammengefasst.
Versuche in Meerwasseratmosphäre (schwer rea -
lisierbar) und in 40%iger MgCl 2-Lösung (große
Aggressivität) wurden nicht durchgeführt. Der
Vertreter für chloridhaltige Lösungen war 3%ige
NaCl-Lösung.
Abb. 22:
Korrosionskammer mit Belastungsvorrichtung.
Die aus nichtrostenden Stählen gefertigten Tellerfedervarianten
hatten die längste Lebensdauer in
0,1n Natronlauge, die kürzeste in Deionat. Die Lebensdauer
nahm von 0,1n Natronlauge über 0,1m
Zitronensäure und 3%ige NaCl-Lösung zu Deionat
ab. Das Deionat als Medium konnte die in der Luft
gebildete Passivschicht nicht elektrochemisch oder
chemisch zerstören, d.h. die nichtrostenden Stähle
sind in Deionat korrosionsbeständig, wodurch die
Tellerfedern aus nichtrostenden Stählen ein sehr
gutes Spannungsrisskorrosionsverhalten in Deionat
hatten (Lebensdauerwerte > 2500 Stunden
[Beständigkeitsgrenze] ohne Bruch und ohne Korrosionserscheinungen).
Unter schwingender mechanischer
Beanspruchung konnte die Passivschicht
aber durch lokales Austreten von Gleitbändern
zerstört werden. Die dadurch freigelegten Bereiche
konnten nicht repassiviert werden und wurden
als aktive Stelle (Lokalanoden) an der Oberfläche
elektrochemisch wirksam. Eine derart entstandene
Lokalanode konnte sich infolge des ungünstigen
Flächenverhältnisses von Anoden- zu
Kathodenfläche und des damit einhergehenden
örtlichen hohen Stoffumsatzes sowie der pH-Absenkung
im Lochgrund stabilisieren und zur Bildung
einer Kerbe führen.
In 3%iger NaCl-Lösung zeigten die Ergebnisse aus
dem Tauchversuch, dass die Luftpassivschicht von
den Chloridionen durchbrochen wurde. An den Tellerfederoberflächen
entstanden mehrere aktive
Zentren, wodurch das Flächenverhältnis von Anoden-
zu Kathodenfläche günstiger, der Stoffumsatz
damit geringer und die Lebensdauer verlängert
wurde.
In 0,1n Natronlauge und 0,1m Zitronensäure wurden
die aktiven Zentren infolge der Repassivierung
von der Passivschicht erneut bedeckt, wobei die Repassivierungsfähigkeit
und –geschwindigkeit in Natronlauge
besser ist als die in Zitronensäure. Dies
wird durch die elektrochemischen Untersuchungen
und in der Literatur bestätigt.
Die beschichteten Tellerfedervarianten hatten die
längste Lebensdauer in 0,1n Natronlauge und die
kürzeste in 0,1m Zitronensäure. Die längste Lebensdauer
war wie bei den Tellerfedervarianten aus
nichtrostenden Stählen auf die Hydroxidschichtbildung
in 0,1n Natronlauge zurückzuführen, die die
Tellerfedern gegen Korrosion schützt. Zinkschichten
reagierten mit Zitronensäure, was bereits beim
Tauchversuch und beim Spannungsrisskorrosionsversuch
ersichtlich war. Diese chemische Reaktion
führte zur Rissbildung in der Beschichtung, die sich
dann im Grundwerkstoff fortsetzte. Zusätzlich war
der niedrig legierte Werkstoff 1.8159 in 0,1m Zitronensäure
wegen deren niedrigen pH-Wertes (2.09)
sehr korrosionsanfällig. Die höhere Leitfähigkeit der
3%igen NaCl-Lösung (ca. 42,4 mS/cm) bedingte
eine kürzere Lebensdauer bei einigen beschichteten
Tellerfedervarianten als in Deionat (ca. 0,4 mS/cm).
Bei anderen war das Gegenteil der Fall. Die in der
chloridhaltigen Lösung gebildete Simonkolleit-
Schicht repariert ständig die verletzten Stellen und
der Bruch wurde verzögert.
Tellerfedervarianten Deionat NaCl NaOH Zitronensäure
1.4310/C/S + D 14.171 17.952 37.767 22.280
1.4310/C/S + D + K 18.255 20.300 38.033 25.389
1.4568/C/S + D 12.924 17.207 32.747 19.520
1.4568/C/S + D + K 20.480 24.823 34.555 20.090
1.4568/C/S + D + kolsterisiert 11.339 22.199 32.533 30.883
Mechanisch verzinkt + gelb chrom. 26.839 25.510 26.477 14.058
Mechanisch verzinkt + transp. chrom. 7.841 11.323 14.509 4.318
Dacromet beschichtet 5.676 4.944 6.033 4.849
Geomet beschichtet 5.428 6.159 4.517 4.031
Delta Tone + Delta Seal 24.975 10.355 10.127 5.563
Chemisch vernickelt 7.083 6.461 12.058 6.414
Wasserverdünnbar lackiert 22.138 13.469 9.902 4.195
Geölt 13.956 5.493 19.606 5.178
Tab. 16:
Lebensdauer (Bruchschwingspielzahl
N)
der Tellerfedern in
Säule 6 x 1 bei den
Schwingungssrisskorrosionsversuchen
(Schwingbreite 0,2h 0
bis 0,8h 0).
33

Tab. 17:
Lebensdauer (Bruchschwingspielzahl
N)
der Tellerfedern in
Säule 6 x 1 bei den
Schwingungssrisskorrosionsversuchen
(Schwingbreite 0,2h 0
bis 0,6h 0).
Abb. 23:
Vergleich der Lebensdauerwerte
aller Tellerfedervarianten
beim
Schwingungsrisskorrosionsversuch
in Deionat
(Schwingbreite
0,2h 0 bis 0,6h 0).
34
Tellerfedervarianten Deionat NaCl NaOH Zitronensäure
1.4310/C/S + D 19.552 21.858 30.037
1.4310/C/S + D + K 33.236 40.005 51.965 47.338
1.4568/C/S + D 12.357 17.383 34.692
1.4568/C/S + D + K 21.845 27.974 41.433
1.4568/C/S + D + kolsterisiert 32.933 34.000 40.250
Mechanisch verzinkt + gelb chrom. 103.618 292.537 73.386
Mechanisch verzinkt + transp. chrom. 153.506 295.742 1.702.463 49.507
Dacromet beschichtet 129.507 46.388 28.192
Geomet beschichtet 141.642 59.555 24.128
Delta Tone + Delta Seal 167.443 240.707 22.578
Chemisch vernickelt 47.429 27.854 19.208
Wasserverdünnbar lackiert 94.033 91.741 15.703
Geölt 106.702 32.806 1.443.281 28.078
In Tabelle 17 sind die Ergebnisse der Schwingungsrisskorrosionsversuche
mit einer Schwingbreite
0,2h 0 D 0,6h 0 aufgelistet. Durch Reduzierung
der Beanspruchungsamplitude wurde die
Lebensdauer der beschichteten Tellerfedervarianten
deutlich verlängert, die der aus nicht rostenden
Stählen gefertigten Tellerfedervarianten nur
geringfügig.
In Abb. 23 sind die Lebensdauerwerte aller Tellerfedervarianten
beim Schwingungsrisskorrosionsversuch
(Schwingbreite 0,2h 0 D 0,6h 0) in Deionat
zusammengestellt.
Schwingungsrisskorrosionsversuch in Deionat
1.4310 / S + D
1.4310/ S + D + K
1.4568 / S + D
1.4568 / S + D + K
1.4568 / S + D + kolsterisiert
Mechan. verzinkt + gelb chrom.
Mechan. verzinkt + transp. chrom.
Dacromet beschichtet
Geomet beschichtet
Delta Tone / Delta Seal
Chemisch vernickelt
Wasserverd. lackiert
Geölt
19.552
33.236
12.357
21.845
32.933
103.618
153.506
129.507
141.642
167.443
47.429
94.033
106.702
Die beschichteten Tellerfedern hatten eine wesentlich
längere Lebensdauer als die Tellerfedervarianten
aus nichtrostenden Stählen. Die Passivschicht
(Oxidfilm) auf den nichtrostenden Stählen wurde
bei der Schwingbeanspruchung streng lokalisiert
durch ein nach außen vordringendes Gleitband
durchstoßen. Dieser Bereich stellte nun eine kleine,
hoch aktive Lokalanode dar. Der Korrosionsangriff
folgte dem Gleitband in den Werkstoff hinein.
In Deionat waren die Werkstoffe 1.4310 und
1.4568 nicht in der Lage an der Korrosionsstelle
die ursprüngliche Passivschicht wieder auszubilden.
Die aufgrund des schon erfolgten Stoffumsat-
Schwingspielzahl [N] 0 50.000 100.000 150.000 200.000
zes entstandene Kerbe führte dann zu einer lokalen
Spannungserhöhung; der Riss pflanzte sich mit
steigender Geschwindigkeit fort bis zum Bruch [8].
Auf den Beschichtungen wurde keine Passivschicht
an Luft gebildet. Deshalb hatten die beschichteten
Tellerfedern das Problem in Deionat
nicht. Zusätzlich wird in zahlreichen Literaturstellen
darauf hingewiesen, dass der Werkstoff 51CrV4
eine bessere Schwingfestigkeit als die Werkstoffe
1.4310 und 1.4568 aufweist [9]. Das Kugelstrahlen
und das Kolsterisieren wirkten sich beim
Schwingungsrisskorrosionsversuch positiv aus.
Durch die dabei erzeugte randnahe Druckeigenspannung
wurde die Mittelspannung der Schwingbeanspruchung
reduziert. Die geölte Feder wies
eine Schwingspielzahl von 106.702 auf. Lebensdauerwerte
deutlich darüber oder darunter deuteten
immer auf eine Mitwirkung der Beschichtung
hin. So versagte z.B. die chemisch vernickelte
Feder nach 47.429 Schwingspielen wegen der
undichten Stelle in der Beschichtung, durch die
der Grundwerkstoff beschleunigt korrodierte.
In 3%iger NaCl-Lösung zeigten die beschichteten
Tellerfedervarianten im Schnitt ein besseres
Schwingungsrisskorrosionsverhalten als die
Tellerfedervarianten aus nichtrostenden Stählen
(Abb. 24). Die Tellerfedern aus 1.4310 besaßen
eine längere Lebensdauer wegen der besseren
Korrosionsbeständigkeit als die Tellerfedern aus
1.4568, in 3%iger NaCl-Lösung erfolgte die
Rissinitiierung der Tellerfedern aus 1.4310 und
1.4568 durch die von Chlorid hervorgerufene
Lochkor rosion, die als betriebsbedingte Kerbe -
Schwingungsrisskorrosionsversuch in 3% NaCl-Lösung
1.4310 / S + D
1.4310/ S + D + K
1.4568 / S + D
1.4568 / S + D + K
1.4568 / S + D + kolsterisiert
Mechan. verzinkt + gelb chrom.
Mechan. verzinkt + transp. chrom.
Dacromet beschichtet
Geomet beschichtet
Delta Tone / Delta Seal
Chemisch vernickelt
Wasserverd. lackiert
Geölt
40.005
21.858
17.383
27.974
34.000
wirkung angesehen werden konnte. Es entstanden
viele Risskeime, die schließlich zu transkristallin
verlaufenden Rissen ausarten. Folglich war in diesem
Fall das Bruchbild deutlich von einem Dauerbruch
an Luft zu unterscheiden.
Auf der geölten Tellerfeder konnte sich an Luft oder
in 3%iger NaCl-Lösung keine dichte Schutzschicht
ausbilden, weshalb eine Schwingungsrisskorrosion
im aktiven Zustand vorlag. Hierbei entstanden Korrosionsgrübchen,
die als Kerben wirkten, von
deren Grund die Rissbildung infolge der mechanischen
Beanspruchungskomponente ausging.
Wegen der in 3%iger NaCl-Lösung schlechteren
Korrosionsbeständigkeit als in Deionat hatte die
geölte Feder hier eine kürzere Lebensdauer. Das
galt in ähnlicher Weise auch für die chemisch vernickelte,
die Dacromet und die Geomet beschichtete
Feder. Die lackierte Feder hatte eine nahezu
gleiche Lebensdauer wie in Deionat, d.h. die
Schwingfestigkeit der Lackschicht ist der entscheidende
Faktor für das Schwingungsrisskorrosionsverhalten
in Deionat und in 3%iger NaCl-Lösung.
Die Dacromet- und Geomet-Beschichtung sind
spröde und haften an dem Grundwerkstoff eingeschränkt.
Nach wenigen Schwingspielen blätterten
die Beschichtungen in flockigen Partikeln ab. Deshalb
verhielten sich die Dacromet und die Geomet
beschichteten Tellerfedern in allen Medien ähnlich
wie die geölte Feder. Die mechanisch verzinkte
und die mit Delta Tone und Delta Seal beschichteten
Tellerfedern hatten eine höhere Schwingungsspielzahl
als in Deionat durch die Bildung der Simonkolleit-Schicht
auf der Zinkschicht.
292.537
295.394
46.388
59.555
240.707
27.854
91.741
32.806
Schwingspielzahl [N] 0 50.000 100.000 150.000 200.000 250.000 300.000
Abb. 24:
Vergleich der Lebensdauerwerte
aller Tellerfedervarianten
beim
Schwingungsrisskorrosionsversuch
in
3%iger NaCl-Lösung
(Schwingbreite 0,2h 0
bis 0,6h 0).
35

Abb. 25:
Vergleich der Lebensdauerwerte
aller Tellerfedervarianten
beim
Schwingungsrisskorrosionsversuch
in
0,1m Zitronensäue
(Schwingbreite 0,2h 0
bis 0,6h 0).
Abb. 26:
Korrosionserscheinungen
auf den nicht
kugelgestrahlten Tellerfedern
aus 1.4310
nach dem Schwingungsrisskorrosionsversuch
in 3%iger
NaCl-Lösung.
36
Schwingungsrisskorrosionsversuch in 0,1m Zitronensäure
1.4310 / S + D
1.4310/ S + D + K
1.4568 / S + D
1.4568 / S + D + K
1.4568 / S + D + kolsterisiert
Mechan. verzinkt + gelb chrom.
Mechan. verzinkt + transp. chrom.
Dacromet beschichtet
Geomet beschichtet
Delta Tone / Delta Seal
Chemisch vernickelt
Wasserverd. lackiert
Geölt
30.037
47.338
34.692
41.433
40.250
73.386
49.507
28.192
24.128
22.578
19.208
15.703
28.078
Schwingspielzahl [N] 0 20.000 40.000 60.000 80.000
In 0,1m Zitronensäure Abb. 25 hatten die Tellerfedervarianten
aus nichtrostenden Stählen durchschnittlich
eine längere Lebensdauer als die beschichteten
Tellerfedervarianten. Durch die chemische
Reaktion zwischen der Zitronensäure und
dem Zink, das in den meisten Beschichtungen vorhanden
ist, wurden die Beschichtungen abgelöst.
Die wasserverdünnbare Lackschicht war chemisch
auch nicht beständig in 0,1m Zitronensäure. Diese
Faktoren führten zu einem früheren Versagen der
beschichteten Tellerfedern in 0,1m Zitronensäure
als in Deionat und 3%iger NaCl-Lösung. Aus den
Ergebnissen der elektrochemischen Untersuchungen
(hier nicht berichtet) war bekannt, dass Zitronensäure
für die passivierbaren Chrom-Nickel-
Stähle ein passivschichterzeugendes Medium ist.
Daher erfuhren die Tellerfedervarianten aus nicht-
rostenden Stählen hier eine Schwingungsrisskorrosion
im passiven Zustand. Bei der Schwingbeanspruchung
entstanden an der Oberfläche passivschichtfreie
Bereiche durch nach außen vordringende
Gleitbänder. Diese Bereiche stellten nun
kleine, hoch aktive Lokalanoden dar. Der Korro -
sionsangriff folgte dem Gleitband in den Werkstoff
hinein. In Zitronensäure sind Chrom-Nickel-Stähle
in der Lage an der Korrosionsstelle die ursprüng -
liche Passivschicht wieder auszubilden. Der Riss
kam dann vorübergehend zum Stillstand. Die aufgrund
des schon erfolgten Stoffumsatzes entstandene
Kerbe führte nach einiger Zeit mit Zunahme
der Kerbwirkung jedoch zu einer lokal erhöhten
Zugspannung, weshalb die gerade gebildete Passivschicht
wieder aufriss. Dann erfolgte der Angriff
stetig in die Tiefe. Der Riss pflanzte sich mit stei-
Schwingspielzahl [N]
250.000
200.000
150.000
100.000
50.000
14.171
17.952
22.280
37.767
32.156
gender Geschwindigkeit fort [8]. Die Chrom-Nickel-
Stähle hatten in 0,1n Natronlauge eine bessere
Repassivierungsfähigkeit als in 0,1m Zitronensäure,
ausgewiesen durch die entsprechend längere
Lebensdauer.
Im Gegensatz zur gleichmäßigen Verteilung der
Brüche über die Tellerfedersäule beim Spannungsrisskorrosionsversuch
versagte beim Schwingungsrisskorrosionsversuch
überwiegend die zweite
Tellerfeder in der 6 x 1 - Säule, weil bedingt durch
die Versuchsvorrichtung die zweite Tellerfeder an
der Oberseite und an der Unterseite am stärksten
korrodiert (Abb. 26).
12.924
0
1.4310 / S + D
Tellerfedervarianten
1.4568 / S + D 1.8159 / Geölt
Im Rahmen des Forschungsvorhabens AVIF A115
»Schwingfestigkeitsuntersuchungen an einzelnen
Tellerfedern und an Tellerfedersäulen beliebiger
Schichtungen« und des Fortsetzungsvorhaben AVIF
A155 »Ergänzende Untersuchungen an Tellerfedern«
wurden die Schwingfestigkeitseigenschaften
von Tellerfedern an Luft untersucht. In Abbildung
27 werden die Ergebnisse aus den beiden Forschungsvorhaben
mit den Ergebnissen aus diesem
Forschungsvorhaben verglichen.
Die negativen Einflüsse bzw. Auswirkungen der Korrosion
auf die Bauteilfestigkeit bei schwingender
Betriebsbeanspruchung sind erfahrungsgemäß
umso gravierender, je höher die Festigkeit des
Bauteilwerkstoffes ist. Übliche niedrig legierte Federstähle
bieten von sich aus keinen Schutz gegen
17.207
19.520
32.747
76.299
13.956
5.493
Korrosion. Daher ist für Federn, die zur Erfüllung
ihrer Funktion prinzipiell aus sehr hochfesten und
relativ kerbempfindlichen Werkstoffen bestehen
müssen, ein ausreichender Schutz gegenüber derartigen
Einflüssen erforderlich. Beschädigungen der
Federoberfläche durch einen chemischen oder
elektrochemischen Angriff sind möglichst zu ver -
meiden, da bereits kleinste Korrosionsnarben zu
Brüchen führen können.
ZUSAMMENFASSUNG
DER SCHWINGUNGSRISS-
KORROSIONSVERSUCHE
5.178
19.606
230.305
In Deionat hatten die Tellerfedern aus nichtrostenden
Stählen die kürzeste Lebensdauer (Schwingspielzahl).
In Abhängigkeit vom Medium war ihre
Lebensdauer in der Reihenfolge: Natronlauge >
Zitronensäure > NaCl > Deionat. Das Kugelstrahlen
wirkte sich unabhängig vom Werkstoff positiv auf
die Lebensdauer der Tellerfeder aus, besonders bei
kleiner Schwingamplitude. Die beschichteten Tellerfedern
aus 51CrV4 hatten allgemein bessere
Schwingfestigkeitseigenschaften als die Tellerfedern
aus nichtrostenden Stählen, mit Ausnahme in Zitronensäure.
Von den beschichteten Tellerfedern verhielten
sich die mechanisch verzinkten Tellerfedern
am besten, die Dacromet- und Geomet-Beschichtungen
sind spröde und bieten sich für zyklisch
beanspruchte Tellerfedern nicht an.
Abb. 27:
Vergleich der Lebensdauerwerte
der Tellerfedervarianten
in
Korrosionsmedien und
an Luft (Schwingbreite
0,2h 0 bis 0,8h 0).
Deionat
NaCl
Zitronensäure
NaOH
Luft
37

38
LITERATURVERZEICHNIS
[1] van Eijnsbergen J.F.H.
Duplex Systems: hot-dip galvanizing plus painting.
Elsevier Science BV. 1994
[2] MUBEA – Tellerfedern (Handbuch); Firma Muhr und Bender,
Daaden 1992
[3] Falbe, J. und Regitz, M.
Römpp Chemie Lexikon, 9. Auflage;
Georg Thieme Verlag Stuttgart, New York 1995
[4] VDA-Prüfblatt 621-415 »Prüfung des Korrosionsschutzes
von Kraftfahrzeuglackierungen bei zyklisch wechselnder Beanspruchung«;
Verband der Automobilindustrie e.V., Frankfurt, Februar 1982
[5] Spähn, H.
Beitrag zur Schädigungsfrüherkennung bei Kavitationserosion;
VDI-Verlag, Düsseldorf 1993
[6] Li, Y.: Korrosionsverhalten von Tellerfedern und Tellerfedersäulen
unter Komplexbeanspruchung.
Dissertation TU Darmstadt, Shaker Verlag, Aachen 2007
[7] Kugelstrahlen im Lohnauftrag, 2. Ausgabe;
Kiefer GmbH, Ettlingen 2003
[8] Grote, K.-H. und Feldhusen, J.
Taschenbuch für den Maschinenbau;
Dubbel Springer Verlag, Berlin 2004
[9] Teller, Cord;
Schwingfestigkeit von Tellerfedersäulen in Abhängigkeit
von Schichtung, Werkstoff und Fertigungszustand;
Berichte aus der Werkstofftechnik; Shaker Verlag, Aachen 2002
39

Christian Bauer
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Schorndorfer Straße 49
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